JP6138378B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムの運転停止工程に関する。 The present invention relates to an operation stop process of a fuel cell system.
一般に、固体酸化物形燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと空気とを供給して、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。固体酸化物形燃料電池システムの定常運転時には、固体酸化物形燃料電池は500℃〜900℃の高温で動作する。 In general, a solid oxide fuel cell system supplies a hydrogen-containing gas and air to a fuel cell, which is a main body of a power generation unit, and generates chemical energy generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. Is a system that generates electricity as electrical energy. During the steady operation of the solid oxide fuel cell system, the solid oxide fuel cell operates at a high temperature of 500 ° C to 900 ° C.
固体酸化物形燃料電池システムは、水素含有ガス(改質ガス)を生成するため水素生成装置を備えている。水素生成装置は、水素含有ガスを生成するための原料(発電原料)として、天然ガスを主成分とする都市ガスやLPG等の化石原料を用いている。水素生成装置は、改質器を備えており、この改質器により発電原料を、例えば、Ru触媒やNi触媒を用いて、600℃前後の高温で水蒸気と反応(改質反応)させ、水素含有ガスを生成させる。改質器は、固体酸化物形燃料電池システムの定常運転中、400℃〜700℃の高温に保持されており、発電原料および水等が連続的に供給され、触媒による改質反応により水素含有ガスを生成する。 The solid oxide fuel cell system includes a hydrogen generator for generating a hydrogen-containing gas (reformed gas). The hydrogen generation apparatus uses a fossil raw material such as city gas mainly composed of natural gas or LPG as a raw material (power generation raw material) for generating a hydrogen-containing gas. The hydrogen generator is provided with a reformer, and this reformer reacts the power generation raw material with water vapor (reforming reaction) at a high temperature of about 600 ° C. using, for example, a Ru catalyst or a Ni catalyst, A contained gas is generated. The reformer is maintained at a high temperature of 400 ° C. to 700 ° C. during the steady operation of the solid oxide fuel cell system, and is continuously supplied with power generation raw materials and water, and contains hydrogen by a reforming reaction by a catalyst. Generate gas.
また、固体酸化物形燃料電池システムは、外部から供給された水から、改質器における改質反応に必要な水蒸気を生成させる蒸発器も備えている。蒸発器は、固体酸化物形燃料電池システムの定常運転中、100℃〜300℃の高温に保持される。 The solid oxide fuel cell system also includes an evaporator that generates water vapor necessary for the reforming reaction in the reformer from water supplied from the outside. The evaporator is maintained at a high temperature of 100 ° C. to 300 ° C. during the steady operation of the solid oxide fuel cell system.
ところで、固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させる際に実行する運転停止工程において、高温で動作している燃料電池および改質器、蒸発器などを所定温度まで冷却させるとともに、改質器内部、燃料電池内部、および水素含有ガスを流通させる流路内に残留している水素含有ガスのパージを行う必要がある。これは下記の理由からである。残留した水素含有ガスは水蒸気を含むため、冷却過程において温度が露点以下になると水が凝縮してしまう。その際、圧力低下により外部から空気が侵入する。そのため、侵入した空気により、アノード材料が酸化する。それゆえ、起動と停止を繰り返すとアノード材料の酸化と還元とが繰り返されるため、耐久性を著しく低下させてしまう原因となる。そして、この凝縮水が、アノード以外にも改質器または脱硫器それぞれに充填された触媒の耐久性を著しく低下させてしまう原因となる。なお、固体酸化物形燃料電池システムの運転を停止させるにあたり行われる、例えば上記したパージなどを含む複数の処理ステップからなる工程を運転停止工程と称する。運転停止工程は、発電停止指示を受け付けてから、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止されるまでの処理であり、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給停止は、例えば固体酸化物形燃料電池のスタック温度または改質器の温度が所定温度(例えば、100度)に達したときに実施される構成であってもよい。 By the way, in the operation stop process executed when the operation of the solid oxide fuel cell system is stopped, the fuel cell, the reformer, the evaporator, etc. operating at a high temperature are cooled to a predetermined temperature, and the reformer It is necessary to purge the hydrogen-containing gas remaining inside, the fuel cell, and the flow path through which the hydrogen-containing gas flows. This is for the following reason. Since the remaining hydrogen-containing gas contains water vapor, water condenses when the temperature falls below the dew point during the cooling process. At that time, air enters from the outside due to a pressure drop. Therefore, the anode material is oxidized by the invading air. Therefore, if the start and stop are repeated, oxidation and reduction of the anode material are repeated, which causes a significant decrease in durability. And this condensed water causes the durability of the catalyst charged in the reformer or desulfurizer other than the anode to be significantly reduced. Note that a process including a plurality of processing steps including, for example, the above-described purge, which is performed when the operation of the solid oxide fuel cell system is stopped, is referred to as an operation stop process. The operation stop process is a process from the reception of the power generation stop instruction until the supply of the hydrogen-containing gas and the oxidant gas is stopped. The supply stop of the hydrogen-containing gas and the oxidant gas is, for example, a solid oxide fuel The configuration may be performed when the battery stack temperature or the reformer temperature reaches a predetermined temperature (for example, 100 degrees).
この運転停止工程において、窒素などの不活性ガスを用いて還元雰囲気を作ることで、水素含有ガスのパージを行う構成を有した固体酸化物形燃料電池システムが従来から知られている。しかしながら、このように不活性ガスを用いてパージを行う構成の場合、パージ専用の流路を設置する必要があり、固体酸化物形燃料電池システムの大型化を招くという問題がある。そこで、原料ガスを用いて水素含有ガスのパージを行う燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献1)。 2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell system having a configuration in which a hydrogen-containing gas is purged by creating a reducing atmosphere using an inert gas such as nitrogen in this shutdown process has been known. However, in the case of purging using an inert gas in this way, it is necessary to install a dedicated flow path for purging, and there is a problem that the solid oxide fuel cell system is increased in size. Therefore, a fuel cell system that purges a hydrogen-containing gas using a source gas has been proposed (for example, Patent Document 1).
本発明は、耐久性の低下を防ぎつつ、安全に運転停止することができる燃料電池システムを提供する。 The present invention provides a fuel cell system that can safely stop operation while preventing a decrease in durability.
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、固体酸化物形燃料電池と、発電原料を改質して生成した水素含有ガスを前記固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する改質器と、前記改質器に前記発電原料を供給する発電原料供給器と、前記改質器に対して、改質反応で利用する改質用の水および空気の少なくともいずれか一方を供給する改質用材料供給器と、前記固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排ガスに着火する着火器を有する燃焼部と、制御器と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの運転停止工程において、前記制御器は、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池のカソードに供給させ、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御して、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方とを前記改質器に間欠的に供給させるとともに、前記燃焼部が有する前記着火器を制御して着火動作させる。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention supplies a solid oxide fuel cell and a hydrogen-containing gas generated by reforming a power generation raw material to the anode of the solid oxide fuel cell. A reformer, a power generation raw material supply device that supplies the power generation raw material to the reformer, and at least one of reforming water and air used in a reforming reaction with respect to the reformer A reforming material supplier to be supplied, an oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the cathode of the solid oxide fuel cell, and an igniter for igniting exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell A fuel cell system comprising: a combustion section having a controller; and a controller, wherein in the operation stop process of the fuel cell system, the controller controls the oxidant gas supply device to supply the oxidant gas. Solid oxide fuel And supplying the power generation raw material feeder and the reforming material supply device to supply the power generation raw material and at least one of the water and air intermittently to the reformer. At the same time, the ignition unit included in the combustion unit is controlled to perform an ignition operation.
また、本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、固体酸化物形燃料電池と、発電原料を改質して生成した水素含有ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給する改質器と、前記発電原料を前記改質器に供給する発電原料供給器と、前記改質器における改質反応に利用する水を該改質器に供給する改質水供給器と、前記改質水供給器から前記改質器に供給される水を気化させる蒸発器と、前記蒸発器を加熱する加熱器と、前記固体酸化物形燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、可燃性ガスである前記発電原料または前記水素含有ガスが流通する、前記発電原料供給器から前記固体酸化物形燃料電池に至る流路である可燃性ガス流路と、前記酸化剤ガスが流通する、前記酸化剤ガス供給器から前記固体酸化物形燃料電池に至る流路である酸化剤ガス流路と、連動して変化する前記蒸発器、前記改質器、前記固体酸化物形燃料電池の温度うちの少なくともいずれか1つの温度を検知する温度検知部と、制御器と、を備え、前記固体酸化物形燃料電池の運転停止工程において、前記制御器は、前記発電原料供給器と前記改質水供給器とを制御して発電原料と水とを、前記可燃性ガス流路に流通させるとともに、前記酸化剤ガス供給器を制御して酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス流路に流通させており、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器を加熱させるように制御する。 In order to solve the above-described problems, the fuel cell system according to the present invention supplies a solid oxide fuel cell and a hydrogen-containing gas generated by reforming a power generation raw material to the solid oxide fuel cell. A reforming device, a power generation raw material supply device for supplying the power generation raw material to the reformer, a reforming water supply device for supplying water to be used for a reforming reaction in the reformer to the reformer, An evaporator for vaporizing water supplied to the reformer from the reformed water supplier, a heater for heating the evaporator, and an oxidant gas for supplying an oxidant gas to the solid oxide fuel cell A combustible gas flow path that is a flow path from the power generation raw material supply device to the solid oxide fuel cell, through which the power generation raw material or the hydrogen-containing gas that is a combustible gas flows, and the oxidant The solid acid from the oxidant gas supply device through which gas flows Detects the temperature of at least one of the temperature of the evaporator, the reformer, and the solid oxide fuel cell that change in conjunction with the oxidant gas flow path, which is a flow path to the physical fuel cell. And a controller for controlling the operation of the solid oxide fuel cell, wherein the controller controls the power generation material supply device and the reforming water supply device to generate the power generation material. And water are circulated through the combustible gas flow path, and the oxidant gas is circulated through the oxidant gas flow path by controlling the oxidant gas supply unit. Based on the above, when it is determined that the operating temperature of the evaporator is equal to or lower than the lower limit value, the evaporator is controlled to be heated by the heater.
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、耐久性の低下を防ぎつつ、安全に運転停止することができるという効果を奏する。さらには、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方とを改質器に間欠的に供給させる構成により、発電原料等を改質器に連続的に供給する構成と比較して、より早く固体酸化物形燃料電池および改質器等の温度を低下させることができるという効果も奏する。 The fuel cell system according to the present invention is configured as described above, and has an effect that the operation can be safely stopped while preventing a decrease in durability. Furthermore, the configuration in which the power generation raw material and at least one of water and air are intermittently supplied to the reformer is faster than the configuration in which the power generation raw material is continuously supplied to the reformer. There is also an effect that the temperature of the solid oxide fuel cell and the reformer can be lowered.
(本発明の一形態を得るに至った経緯)
本発明者らは「背景技術」にて記載した特許文献1に係る燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、以下の知見を得た。(Background to obtaining one embodiment of the present invention)
As a result of earnest research on the fuel cell system according to
すなわち、特許文献1のように原料ガス(発電原料)を用いてパージを行う燃料電池システムの場合、可燃性ガスである発電原料がそのまま系外に排出されてしまうことに気付いた。また、運転停止後の高温な状態の改質器や燃料電池のアノードに発電原料が供給されると、改質器またはアノードにて炭化水素原料が分解され炭素析出し、これにより改質器またはアノードが破損する可能性があることを見出した。
That is, in the case of a fuel cell system in which purging is performed using a raw material gas (power generation raw material) as in
以上の知見に基づいて、本発明者らは、系外に排気する前に、パージに用いた可燃性の発電原料を燃焼させることで、安全に運転停止させることができることを見出した。また、発電原料の代わりに該発電原料を改質した水素含有ガス(改質ガス)によりパージを行うことで改質器または固体酸化物形燃料電池のアノードにおける炭素析出を防ぐことができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。 Based on the above findings, the present inventors have found that the operation can be safely stopped by burning the combustible power generation raw material used for the purge before exhausting out of the system. It has also been found that carbon deposition at the reformer or anode of a solid oxide fuel cell can be prevented by purging with a hydrogen-containing gas (reformed gas) obtained by reforming the power generation material instead of the power generation material. The present invention has been reached. The present invention specifically provides the following modes.
さらにまた、本発明者らは「背景技術」にて記載した特許文献1に係る燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、以下の知見も得た。
Furthermore, the present inventors have earnestly studied the fuel cell system according to
特許文献1では、運転停止工程において燃料電池のスタック温度が約150℃〜300℃程度の低温時の場合であっても、パージ用のガス(例えば、発電原料)をアノードに供給する必要があることを見出した。なぜならば、パージ用のガスをアノードに供給していない場合、アノードの下流部側に外部から空気が流入し、アノードの上流部とアノード下流部との間で局部電池ができ、アノード材料が酸化する可能性があるからである。
In
また、燃料電池システムが、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料電池の下流側で混合させるように構成されている場合、運転停止工程において、カソードへのパージ用ガス(例えば、酸化剤ガス)の供給を停止し、アノードだけにパージ用ガス(例えば、発電原料)を供給させると、アノードに供給したパージ用ガスがカソードの下流側から流入してくる可能性がある。これは、燃料電池停止後において系内に残った改質水が余った熱で蒸発し、燃料電池のアノードの方がカソードよりも圧力が高くなっているからである。このように、アノードに供給したパージ用ガスがカソードに流入するとカソード材料が還元し燃料電池の性能が低下してしまう場合がある。 Further, when the fuel cell system is configured to mix the anode off-gas and the cathode off-gas on the downstream side of the fuel cell, the purge gas (for example, oxidant gas) is supplied to the cathode in the operation stop process. Is stopped and the purge gas (for example, power generation raw material) is supplied only to the anode, the purge gas supplied to the anode may flow in from the downstream side of the cathode. This is because the reformed water remaining in the system after the fuel cell stops evaporates due to excess heat, and the pressure of the anode of the fuel cell is higher than that of the cathode. As described above, when the purge gas supplied to the anode flows into the cathode, the cathode material may be reduced and the performance of the fuel cell may be deteriorated.
以上の知見に基づいて、本発明者らは、燃料電池のスタック温度が約150℃に低下するまで、水素含有ガス(改質ガス)をアノードに、酸化剤ガスをカソードにそれぞれ供給する構成とすることで、アノードの酸化およびカソードの還元を防止することができることを見出した。さらに、炭化水素原料が分解され炭素析出が生じる所定の温度範囲では原料ガスを改質して生成した水素含有ガス(改質ガス)を供給する構成とするため、アノードに発電原料を供給することで生じる炭素析出を防ぐことができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。 Based on the above knowledge, the present inventors are configured to supply a hydrogen-containing gas (reformed gas) to the anode and an oxidant gas to the cathode until the stack temperature of the fuel cell decreases to about 150 ° C. By doing so, it was found that oxidation of the anode and reduction of the cathode can be prevented. Further, in order to supply a hydrogen-containing gas (reformed gas) generated by reforming the raw material gas in a predetermined temperature range where the hydrocarbon raw material is decomposed and carbon deposition occurs, the power generation raw material is supplied to the anode. The inventors have found that the carbon deposition that occurs in can be prevented, and have reached the present invention. The present invention specifically provides the following modes.
本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池と、発電原料を改質して生成した水素含有ガスを前記固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する改質器と、前記改質器に前記発電原料を供給する発電原料供給器と、前記改質器に対して、改質反応で利用する改質用の水および空気の少なくともいずれか一方を供給する改質用材料供給器と、前記固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排ガスに着火する着火器を有する燃焼部と、制御器と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの運転停止工程において、前記制御器は、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池のカソードに供給させ、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御して、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方とを前記改質器に間欠的に供給させるとともに、前記燃焼部が有する前記着火器を制御して着火動作させる。 A fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a solid oxide fuel cell and a reformer that supplies a hydrogen-containing gas generated by reforming a power generation raw material to the anode of the solid oxide fuel cell. A power generation raw material supplier that supplies the power generation raw material to the reformer; and a reformer that supplies at least one of reforming water and air used in a reforming reaction to the reformer Combustion section having a material supplier, an oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the cathode of the solid oxide fuel cell, and an igniter for igniting the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell And a controller, wherein in the operation stop process of the fuel cell system, the controller controls the oxidant gas supply unit to convert the oxidant gas into the solid oxide. Used for cathode of fuel cell And controlling the power generation material supplier and the reforming material supplier to intermittently supply the power generation material and at least one of the water and air to the reformer, and the combustion An ignition operation is performed by controlling the igniter of the unit.
上記構成によると、制御器が酸化剤ガス供給器を制御して酸化剤ガスを固体酸化物形燃料電池のカソードに供給させるため、この酸化剤ガスにより酸化剤ガス供給器から固体酸化物形燃料電池のカソードに至る経路におけるパージを行うことができる。さらに、制御器が発電原料供給器および改質用材料供給器を制御して発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方とを改質器に間欠的に供給させる。つまり改質器における改質反応により発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方とを利用して生成された水素含有ガスを固体酸化物形燃料電池のアノードに間欠的に供給することができる。このため、水素含有ガスにより改質器から固体酸化物形燃料電池のアノードに至る経路におけるパージを行うことができる。また、パージに利用する水素含有ガスは発電原料などの炭化水素原料のように高温に曝されて炭素析出することがないため、炭素析出による燃料電池システムの耐久性の低下を防ぐことができる。 According to the above configuration, since the controller controls the oxidant gas supply device to supply the oxidant gas to the cathode of the solid oxide fuel cell, the oxidant gas supplies the solid oxide fuel from the oxidant gas supply device. Purge along the path to the battery cathode can be performed. Further, the controller controls the power generation raw material supply device and the reforming material supply device to intermittently supply the power generation raw material and at least one of water and air to the reformer. That is, the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction in the reformer using the power generation raw material and at least one of water and air can be intermittently supplied to the anode of the solid oxide fuel cell. . For this reason, purging can be performed in the path from the reformer to the anode of the solid oxide fuel cell with the hydrogen-containing gas. Further, since the hydrogen-containing gas used for purging is not exposed to a high temperature like hydrocarbon raw materials such as power generation raw materials, carbon deposition does not occur, so that it is possible to prevent a decrease in durability of the fuel cell system due to carbon deposition.
また固体酸化物形燃料電池に供給された酸化剤ガスと水素含有ガスとが排ガスとして該固体酸化物形燃料電池から排出されるが、この排ガスを燃焼部の着火器により着火させ燃焼させることができるため、可燃性ガスをそのまま燃料電池システムの系外に排出することを防ぐことができる。 The oxidant gas and hydrogen-containing gas supplied to the solid oxide fuel cell are exhausted from the solid oxide fuel cell as exhaust gas. The exhaust gas can be ignited and combusted by an igniter in the combustion section. Therefore, it is possible to prevent the combustible gas from being discharged out of the fuel cell system as it is.
したがって、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは耐久性の低下を防ぎつつ、安全に運転停止することができるという効果を奏する。さらにまた、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方(以下、発電原料等)とを改質器に間欠的に供給させる構成により、発電原料等を改質器に連続的に供給させる構成と比較して、より早く固体酸化物形燃料電池および改質器等の温度を低下させることができるという効果も奏する。例えば、燃料電池システムの運転停止工程において、発電原料等を改質器に連続的に供給させる構成の場合、発電原料等を供給させる供給器は継続して動作することとなる。すなわち、発電原料等の供給が不要な状態であっても供給器から最低流量以上の発電原料等が送り込まれ固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスが継続して燃焼させられることとなる。これに対して、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、発電原料等を間欠的に供給させる構成であるため、固体酸化物形燃料電池から排出される排ガスを継続して燃焼させることを防ぐことができる。それゆえ、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、発電原料等を連続的に供給させる構成と比較してより早く固体酸化物形燃料電池および改質器等の温度を低下させることができる。 Therefore, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention has an effect that the operation can be safely stopped while preventing a decrease in durability. Furthermore, a configuration in which power generation raw materials and the like are continuously supplied to the reformer by a configuration in which power generation raw materials and at least one of water and air (hereinafter referred to as power generation raw materials) are intermittently supplied to the reformer. As compared with the above, there is an effect that the temperature of the solid oxide fuel cell and the reformer can be lowered more quickly. For example, in the operation of stopping the operation of the fuel cell system, in the case of a configuration in which the power generation raw material or the like is continuously supplied to the reformer, the supply device that supplies the power generation raw material or the like continuously operates. That is, even when the supply of power generation raw materials or the like is not necessary, the power generation raw materials or the like having a minimum flow rate are fed from the feeder and the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell is continuously burned. On the other hand, since the fuel cell system according to the first aspect of the present invention is configured to intermittently supply power generation raw materials and the like, the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell is continuously burned. Can be prevented. Therefore, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention lowers the temperature of the solid oxide fuel cell, the reformer, etc. faster than the configuration in which the power generation raw material is continuously supplied. Can do.
また、本発明の第2の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1の態様において、前記燃焼部よりも下流側に設けられ、該燃焼部から排出された燃焼排ガスに含まれる可燃性ガスを浄化する浄化器と、前記燃料電池システムの温度を検知する温度検知部として、前記浄化器の温度を検知するための浄化器温度検知部と、をさらに備え、前記浄化器温度検知部による検知結果が所定温度未満となる場合、前記制御器は、前記着火器を制御して着火動作させる構成であってもよい。 Further, the fuel cell system according to the second aspect of the present invention is the combustible gas included in the combustion exhaust gas provided in the downstream side of the combustion part and discharged from the combustion part in the first aspect described above. And a purifier temperature detector for detecting the temperature of the purifier as a temperature detector for detecting the temperature of the fuel cell system, and the detection by the purifier temperature detector When the result is less than a predetermined temperature, the controller may be configured to control the igniter to perform an ignition operation.
ここで所定温度とは、例えば、浄化器が有する浄化触媒が活性化する温度の下限値である。 Here, the predetermined temperature is, for example, a lower limit value of the temperature at which the purification catalyst included in the purifier is activated.
上記構成によると、浄化器温度が所定温度以上の場合は着火器を動作させず、可燃性ガスを浄化器で浄化させる。その一方で、浄化器の温度が所定温度未満の場合は、浄化触媒が活性する温度に達していないため、制御器は着火器を動作させて、燃焼部で可燃性ガスを燃焼させる。 According to the above configuration, when the purifier temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the igniter is not operated and the combustible gas is purified by the purifier. On the other hand, when the temperature of the purifier is lower than the predetermined temperature, the controller has not reached the temperature at which the purifying catalyst is activated. Therefore, the controller operates the igniter to burn the combustible gas in the combustion section.
したがって、燃料電池システムでは、燃焼部よりも低温域で、可燃性ガスを浄化できる浄化器と、該可燃性ガスを燃焼させて浄化させる燃焼部とを組み合わせることで、残留する可燃性ガスの浄化をより確実に達成できるとともに、燃焼部において必要となる熱量を抑制することができる。それゆえ、燃焼部だけで可燃性ガスの浄化を行う構成と比較して、燃料電池システムの温度をより確実に、かつ効率的に低下させることができる。また燃焼部において必要となる熱量、および原料の供給量を抑制できるため、燃料電池システムの停止操作における消費エネルギーの低減、ならびに停止時間の短縮化を実現できる。 Therefore, in the fuel cell system, the purification of the remaining combustible gas can be achieved by combining a purifier capable of purifying the combustible gas at a temperature lower than that of the combustion portion and a combustion portion for burning and purifying the combustible gas. Can be achieved more reliably, and the amount of heat required in the combustion section can be suppressed. Therefore, the temperature of the fuel cell system can be more reliably and efficiently reduced as compared with the configuration in which the combustible gas is purified only by the combustion part. In addition, since the amount of heat required in the combustion section and the supply amount of raw materials can be suppressed, it is possible to reduce energy consumption and shorten the stop time in the stop operation of the fuel cell system.
また、本発明の第3の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1または第2の態様において、前記発電原料中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器を備える構成であってもよい。 Further, the fuel cell system according to the third aspect of the present invention may include a desulfurizer for removing sulfur compounds contained in the power generation raw material in the first or second aspect described above. Good.
上記構成によると脱硫器を備えるため、発電原料中に含まれる硫黄化合物を除去することができる。このため、発電原料中に含まれる硫黄化合物によって脱硫器よりも下流側にある改質器の改質触媒が被毒させられることを防ぐことができる。 According to the said structure, since a desulfurizer is provided, the sulfur compound contained in an electric power generation raw material can be removed. For this reason, it can prevent that the reforming catalyst of the reformer located downstream from the desulfurizer is poisoned by the sulfur compound contained in the power generation raw material.
また、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3の態様において、前記燃焼部において燃焼させた前記排ガスを流通させ、該燃焼させた排ガスの有する熱により前記脱硫器を加熱する加熱部を備えるように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the third aspect described above, wherein the exhaust gas burned in the combustion section is circulated, and the desulfurizer is turned on by the heat of the burned exhaust gas. You may be comprised so that the heating part to heat may be provided.
上記構成によると、加熱部を備えるため燃焼された排ガスが有する熱を有効活用して脱硫器を加熱させることができる。 According to the said structure, since a heating part is provided, the heat | fever which the waste gas burned has can be utilized effectively, and a desulfurizer can be heated.
また、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3または第4の態様において、前記脱硫器は、水素を利用して前記発電原料から硫黄化合物を除去する水添脱硫器であってもよい。 In the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect described above, the desulfurizer is a hydrodesulfurizer that removes sulfur compounds from the power generation raw material using hydrogen. It may be.
また、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1から第5の態様のうちいずれか1つの態様において、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方との前記改質器への間欠的な供給を、所定の時間間隔ごとに前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を動作させて行うように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a sixth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects described above, wherein the controller includes at least one of the power generation raw material, the water and air. The intermittent supply to either one of the reformers may be performed by operating the power generation material supply device and the reforming material supply device at predetermined time intervals.
上記構成によると制御器は、所定の時間間隔ごとに発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方とを改質器へ間欠的に供給することができる。このため、常時、発電原料を供給する構成よりも、発電原料の消費量を抑制しつつ、水素含有ガスにより改質器から固体酸化物形燃料電池のアノードに至る経路におけるパージを行うことができる。 According to the above configuration, the controller can intermittently supply the power generation raw material and at least one of water and air to the reformer at predetermined time intervals. For this reason, purging in the path from the reformer to the anode of the solid oxide fuel cell can be performed with the hydrogen-containing gas while suppressing the consumption of the power generation raw material, compared to the configuration in which the power generation raw material is always supplied. .
また、本発明の第7の態様に係る燃料電池システムは、上記した第3から第5の態様のうちいずれか1つの態様において、前記改質器、前記固体酸化物形燃料電池、前記脱硫器の温度はそれぞれ連動して変化しており、前記燃料電池システムの温度を検知する温度検知部として、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知部、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検知する燃料電池温度検知部、および前記脱硫器の温度を検知する脱硫器温度検知部のうちのいずれか1つを少なくとも備え、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方との前記改質器への間欠的な供給を、少なくとも前記改質器温度検知部、前記燃料電池温度検知部、および前記脱硫器温度検知部のいずれか1つによって検知された温度が所定の温度範囲内か否かに応じて、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御して行うように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a seventh aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the third to fifth aspects described above, wherein the reformer, the solid oxide fuel cell, and the desulfurizer. The temperature of the fuel cell system changes in conjunction with each other, and as a temperature detection unit for detecting the temperature of the fuel cell system, a reformer temperature detection unit for detecting the temperature of the reformer, and the solid oxide fuel cell At least one of a fuel cell temperature detection unit for detecting temperature and a desulfurizer temperature detection unit for detecting the temperature of the desulfurizer, and the controller includes the power generation raw material, the water and air At least one of the intermittent supply to the reformer was detected by at least one of the reformer temperature detector, the fuel cell temperature detector, and the desulfurizer temperature detector. Temperature Depending on whether the temperature range may be configured to perform controls the power generation raw material supply unit and the reforming material feeder.
ここで、改質器、固体酸化物形燃料電池、脱硫器の温度はそれぞれ連動して変化しているため、各部の温度変化それぞれを互いに対応づけて記憶することで、各部のうちいずれかの温度変化から他の部材の温度変化を把握することができる。 Here, since the temperatures of the reformer, the solid oxide fuel cell, and the desulfurizer change in conjunction with each other, each temperature change in each part is stored in association with each other, so that The temperature change of another member can be grasped from the temperature change.
上記構成によると、制御器は、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方との改質器への間欠的な供給を、少なくとも改質器温度検知部、燃料電池温度検知部、および脱硫器温度検知部のいずれか1つによって検知された温度が所定の温度範囲内か否かに応じて行うことができる。ところで、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方との、改質器への間欠的な供給を行うか否か判定に用いる所定の温度範囲は、例えば、改質器、固体酸化物形燃料電池、脱硫器が過昇温とならない範囲内で定めることができる。 According to the above configuration, the controller intermittently supplies the power generation raw material and at least one of water and air to the reformer, at least the reformer temperature detection unit, the fuel cell temperature detection unit, and the desulfurization. This can be performed depending on whether the temperature detected by any one of the temperature detectors is within a predetermined temperature range. By the way, the predetermined temperature range used for determining whether or not to intermittently supply the power generation raw material and at least one of water and air to the reformer is, for example, a reformer, a solid oxide form, or the like. The fuel cell and the desulfurizer can be determined within a range where the temperature does not become excessive.
このため、第7の態様に係る燃料電池システムは、改質器、固体酸化物形燃料電池、脱硫器が過昇温しないように監視しながら、水素含有ガスにより改質器から固体酸化物形燃料電池のアノードに至る経路におけるパージを行うことができる。 For this reason, the fuel cell system according to the seventh aspect is characterized in that the reformer, the solid oxide fuel cell, and the desulfurizer are monitored from the reformer by the hydrogen-containing gas while monitoring so as not to overheat. Purging can be performed in the path leading to the anode of the fuel cell.
また、本発明の第8の態様に係る燃料電池システムは、上記した第7の態様において、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方との前記改質器への間欠的な供給を、少なくとも前記改質器温度検知部、前記燃料電池温度検知部、および前記脱硫器温度検知部のいずれか1つによって検知された温度の上昇値および下降値に応じて、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御して行うように構成されていてもよい。 In the fuel cell system according to the eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect described above, the controller is configured to supply the reformer with the power generation raw material and at least one of the water and air. Is intermittently supplied according to at least a rise value and a fall value of the temperature detected by any one of the reformer temperature detection unit, the fuel cell temperature detection unit, and the desulfurizer temperature detection unit, The power generation raw material supply device and the reforming material supply device may be configured to be controlled.
また、本発明の第9の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1から第5の態様のうちいずれか1つの態様において、前記発電原料供給器から前記固体酸化物形燃料電池のアノードに至る流路であり、前記発電原料を含む可燃性ガスが流通する可燃性ガス流路と、前記可燃性ガス流路に設けられ、該可燃性ガス流路内の圧力を検知する圧力センサと、を備え、前記圧力センサの検知結果において、前記可燃性ガス流路内の圧力が負圧となった場合、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方との前記改質器への間欠的な供給を所定の時間間隔ごとに前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を動作させて行うように構成されていてもよい。 A fuel cell system according to a ninth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects described above, from the power generation raw material supply device to the anode of the solid oxide fuel cell. A flammable gas flow path through which the flammable gas containing the power generation raw material flows, a pressure sensor provided in the flammable gas flow path for detecting the pressure in the flammable gas flow path, When the pressure in the combustible gas flow path becomes a negative pressure in the detection result of the pressure sensor, the controller includes the power generation raw material and at least one of the water and air. The intermittent supply to the reformer may be performed by operating the power generation raw material supply device and the reforming material supply device at predetermined time intervals.
上記構成によると、制御器は、可燃性ガス流路の圧力が負圧となった場合、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方の改質器への間欠的な供給を所定の時間間隔ごとに行う。このため、可燃性ガス流路が負圧になり外部から空気が流入してこないように監視し、負圧となる場合は発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方とを供給することにより、可燃性ガス流路の圧力を上げることができる。 According to the above configuration, when the pressure in the combustible gas flow path becomes negative, the controller intermittently supplies the power generation raw material and at least one of water and air to the reformer for a predetermined time. Do this at every interval. For this reason, the combustible gas flow path is monitored so that air does not flow in from the outside, and in the case of negative pressure, the power generation raw material and at least one of water and air are supplied. The pressure of the combustible gas channel can be increased.
したがって、第9の態様に係る燃料電池システムは、可燃性ガス流路に外部から空気が流入しないようにしつつ、水素含有ガスにより改質器から固体酸化物形燃料電池のアノードに至る経路におけるパージを行うことができる。 Therefore, in the fuel cell system according to the ninth aspect, purge is performed in a path from the reformer to the anode of the solid oxide fuel cell by the hydrogen-containing gas while preventing air from flowing into the combustible gas flow path from the outside. It can be performed.
また、本発明の第10の態様に係る燃料電池システムは、上記した第1から第5の態様のうちいずれか1つの態様において、前記固体酸化物形燃料電池の電圧を検知する電圧検知器を備え、前記電圧検知器により検知された電圧が所定電圧以下となるたびに、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方とを前記改質器へ供給するように、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御する構成であってもよい。 The fuel cell system according to a tenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects, further comprising a voltage detector that detects the voltage of the solid oxide fuel cell. Each time the voltage detected by the voltage detector falls below a predetermined voltage, the controller supplies the power generation raw material and at least one of the water and air to the reformer. The power generation raw material supplier and the reforming material supplier may be controlled.
ここで所定電圧とは、可燃性ガス流路の圧力が負圧になり外部から空気が流入した場合に固体酸化物形燃料電池において検知できる電圧である。 Here, the predetermined voltage is a voltage that can be detected in the solid oxide fuel cell when the pressure of the combustible gas flow path becomes negative and air flows in from the outside.
上記構成によると、制御器は、電圧検知器により検知された固体酸化物形燃料電池の電圧が所定電圧以下となるたびに、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方を改質器へ供給することができる。つまり、固体酸化物形燃料電池の電圧の低下から可燃性ガス流路が負圧となったか否か把握することができる。より具体的には、可燃性ガス流路が負圧となる場合は外部から空気が侵入し、アノードでの酸素分圧が高くなるため、カソードとアノードの電位差が小さくなり、固体酸化物形燃料電池の電圧が小さくなる。このため、固体酸化物形燃料電池の電圧がセンシング可能となる所定温度(例えば120℃)以上の状態において、所定電圧以下となると、可燃性ガス流路が負圧となり、外部から空気が侵入したことが分かる。そこで、固体酸化物形燃料電池の電圧が所定電圧以下となる場合、発電原料と、水および空気の少なくともいずれか一方とを供給することにより、可燃性ガス流路の圧力を上げ、外部からの空気の侵入を抑制することができる。 According to the above configuration, the controller supplies the power generation raw material and at least one of water and air to the reformer each time the voltage of the solid oxide fuel cell detected by the voltage detector becomes a predetermined voltage or less. Can be supplied. That is, it can be determined whether or not the combustible gas flow path has become a negative pressure from the voltage drop of the solid oxide fuel cell. More specifically, when the combustible gas flow path has a negative pressure, air enters from the outside, and the oxygen partial pressure at the anode increases, so the potential difference between the cathode and the anode decreases, and the solid oxide fuel Battery voltage decreases. For this reason, in a state where the voltage of the solid oxide fuel cell is higher than a predetermined temperature (for example, 120 ° C.) at which sensing is possible, when the voltage becomes lower than the predetermined voltage, the combustible gas flow path becomes negative pressure and air enters from the outside. I understand that. Therefore, when the voltage of the solid oxide fuel cell is equal to or lower than the predetermined voltage, the pressure of the combustible gas flow path is increased by supplying the power generation raw material and at least one of water and air, and from the outside. Intrusion of air can be suppressed.
したがって、第10の態様に係る燃料電池システムは、可燃性ガス流路に外部から空気が流入しないようにしつつ、水素含有ガスにより改質器から固体酸化物形燃料電池のアノードに至る経路におけるパージを行うことができる。 Therefore, in the fuel cell system according to the tenth aspect, the purge in the path from the reformer to the anode of the solid oxide fuel cell is performed by the hydrogen-containing gas while preventing air from flowing into the combustible gas flow path from the outside. It can be performed.
また、本発明の第11の態様に係る燃料電池システムは、上記した第9の態様において、前記改質用材料供給器は、前記改質器に対して、改質反応で利用する改質用の水を供給する改質水供給器であって、前記改質水供給器から前記改質器に供給される水を気化させる蒸発器と、前記蒸発器を加熱する加熱器と、前記酸化剤ガスが流通する、前記酸化剤ガス供給器から前記固体酸化物形燃料電池に至る流路である酸化剤ガス流路と、を備え、前記蒸発器、前記改質器、および前記固体酸化物形燃料電池の温度はそれぞれ連動して変化しており、前記燃料電池システムの温度を検知する温度検知部として、前記蒸発器の温度を検知する蒸発器温度検知部、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知部、および前記固体酸化物形燃料電池の温度を検知する燃料電池温度検知部のうちのいずれか1つを少なくとも有し、前記燃料電池システムの運転停止工程において、前記制御器は、前記発電原料供給器と前記改質水供給器とを制御して前記発電原料と水とを、前記可燃性ガス流路に流通させるとともに、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス流路に流通させており、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器を加熱させるように制御するように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to an eleventh aspect of the present invention is the reforming material used in the reforming reaction with respect to the reformer in the ninth aspect described above. A reforming water supply device for supplying water, an evaporator for vaporizing water supplied from the reforming water supply device to the reformer, a heater for heating the evaporator, and the oxidizing agent An oxidant gas flow path, which is a flow path from the oxidant gas supply unit to the solid oxide fuel cell, through which gas flows, the evaporator, the reformer, and the solid oxide type The temperature of the fuel cell changes in conjunction with each other. As a temperature detection unit for detecting the temperature of the fuel cell system, an evaporator temperature detection unit for detecting the temperature of the evaporator, and a temperature of the reformer are detected. Reformer temperature detector, and the temperature of the solid oxide fuel cell At least one of the fuel cell temperature detectors to be detected, and in the operation stop step of the fuel cell system, the controller controls the power generation raw material supplier and the reforming water supplier. The power generation raw material and water are circulated through the combustible gas flow path, the oxidant gas supply device is controlled to circulate the oxidant gas through the oxidant gas flow path, and the temperature When it determines with the operating temperature of the said evaporator becoming below a lower limit based on the detection result of a detection part, you may be comprised so that the said evaporator may be heated with the said heater.
上記構成によると、制御器は、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器を加熱させるように制御する。このため、燃料電池の運転停止工程における温度低下に伴い、蒸発器が水を十分に気化させることができなくなり、改質器において十分に改質反応が進行しないとった不具合が生じることを防ぐことができる。それゆえ、燃料電池の運転停止工程においても継続して水素含有ガスを改質器にて生成し、該水素含有ガスにより可燃性ガス流路のパージを行うことができる。 According to the above configuration, the controller controls the heater to heat the evaporator when it is determined that the operating temperature of the evaporator has become a lower limit value or less. For this reason, in accordance with the temperature drop in the fuel cell shutdown process, the evaporator cannot sufficiently evaporate water, and it is possible to prevent a problem that the reforming reaction does not proceed sufficiently in the reformer. Can do. Therefore, it is possible to continuously generate the hydrogen-containing gas in the reformer even in the fuel cell shutdown process, and to purge the combustible gas channel with the hydrogen-containing gas.
本発明の第12の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、発電原料を改質して生成した水素含有ガスを前記燃料電池に供給する改質器と、前記発電原料を前記改質器に供給する発電原料供給器と、前記改質器における改質反応に利用する水を該改質器に供給する改質水供給器と、前記改質水供給器から前記改質器に供給される水を気化させる蒸発器と、前記蒸発器を加熱する加熱器と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、可燃性ガスである前記発電原料または前記水素含有ガスが流通する、前記発電原料供給器から前記燃料電池に至る流路である可燃性ガス流路と、前記酸化剤ガスが流通する、前記酸化剤ガス供給器から前記燃料電池に至る流路である酸化剤ガス流路と、連動して変化する前記蒸発器、前記改質器、前記燃料電池の温度うちの少なくともいずれか1つの温度を検知する温度検知部と、制御器と、を備え、前記燃料電池の運転停止工程において、前記制御器は、前記発電原料供給器と前記改質水供給器とを制御して発電原料と水とを、前記可燃性ガス流路に流通させるとともに、前記酸化剤ガス供給器を制御して酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス流路に流通させており、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器を加熱させるように制御する。 A fuel cell system according to a twelfth aspect of the present invention includes a fuel cell, a reformer that supplies a hydrogen-containing gas generated by reforming a power generation material to the fuel cell, and the power generation material as the reformer. The power generation raw material supply device to be supplied to the reformer, the reforming water supply device to supply water to be used for the reforming reaction in the reformer to the reformer, and the reforming water supply device to be supplied to the reformer An evaporator that vaporizes water, a heater that heats the evaporator, an oxidant gas supplier that supplies an oxidant gas to the fuel cell, and the power generation raw material or the hydrogen-containing gas that is a combustible gas A combustible gas flow path that is a flow path from the power generation raw material supply unit to the fuel cell, and an oxidation that is a flow path from the oxidant gas supply unit to the fuel cell through which the oxidant gas flows. The evaporator gas flow changing in conjunction with the agent gas flow path, the reforming A temperature detection unit that detects at least one of the temperatures of the fuel cell, and a controller, and in the operation stop step of the fuel cell, the controller includes the power generation material supplier The reforming water supplier is controlled to cause the power generation raw material and water to flow through the combustible gas channel, and the oxidant gas supplier is controlled to supply the oxidant gas to the oxidant gas channel. When it is determined that the operating temperature of the evaporator has become a lower limit value or less based on the detection result of the temperature detector, the heater is controlled to be heated by the heater.
ここで、蒸発器の動作温度の下限値とは、水を気化させるために必要となる蒸発器の温度の下限値である。 Here, the lower limit value of the operating temperature of the evaporator is the lower limit value of the temperature of the evaporator that is required to vaporize water.
上記構成によると、制御器は、燃料電池の運転停止工程において、可燃性ガス流路に発電原料と水とを流通させる。このため、発電原料と水とが改質器における改質反応で水素含有ガスとなり、該水素含有ガスにより可燃性ガス流路内をパージすることができる。このように、水素含有ガスにより可燃性ガス流路内をパージすることができるため、温度低下に伴い可燃ガス流路内のガス収縮に伴う圧力低下、および水蒸気が凝縮することで生じる可燃性ガス流路の圧力低下に応じて外部から空気が流入してくることを防ぐことができる。それゆえ、低温時の、アノード下流側の空気による酸化に加えて、アノード下流側からの空気の侵入によるアノード上流側の局部電池生成による酸化も抑制できる。 According to the said structure, a controller distribute | circulates an electric power generation raw material and water to a combustible gas flow path in the operation stop process of a fuel cell. For this reason, the power generation raw material and water become hydrogen-containing gas by the reforming reaction in the reformer, and the combustible gas flow path can be purged by the hydrogen-containing gas. As described above, the combustible gas flow path can be purged with the hydrogen-containing gas, so that the combustible gas generated by the pressure drop accompanying the gas contraction in the combustible gas flow path and the water vapor condensing as the temperature decreases. Air can be prevented from flowing in from the outside in accordance with the pressure drop in the flow path. Therefore, in addition to oxidation by air on the downstream side of the anode at low temperatures, oxidation due to local battery generation on the upstream side of the anode due to intrusion of air from the downstream side of the anode can be suppressed.
また、可燃性ガス流路を水素含有ガスによりパージするため、運転停止工程において高温な状態であっても、例えば、発電原料のように、分解され燃料電池のアノードおよび改質器の改質触媒に炭素析出してしまうようなことがない。このため、アノードおよび改質触媒が劣化してしまうことを防ぎ耐久性の向上を図ることができる。 Further, since the combustible gas flow path is purged with a hydrogen-containing gas, even when the operation is stopped in a high temperature state, it is decomposed, for example, as a power generation raw material, and the reforming catalyst of the fuel cell anode and reformer No carbon deposition occurs. For this reason, deterioration of the anode and the reforming catalyst can be prevented, and durability can be improved.
また、制御器は、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを流通させる。このため、酸化剤ガスにより酸化剤ガス流路内をパージすることができるため、燃料電池の運転停止工程において、酸化剤ガス流路に可燃性ガス流路から水素含有ガスが流入することを防ぐことができる。 The controller causes the oxidant gas to flow through the oxidant gas flow path. For this reason, since the inside of the oxidant gas flow path can be purged by the oxidant gas, the hydrogen-containing gas is prevented from flowing into the oxidant gas flow path from the combustible gas flow path in the fuel cell shutdown process. be able to.
また、制御器は、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器を加熱させるように制御する。このため、燃料電池の運転停止工程における温度低下に伴い、蒸発器が水を十分に気化させることができなくなり、改質器において十分に改質反応が進行しないとった不具合が生じることを防ぐことができる。それゆえ、燃料電池の運転停止工程においても継続して水素含有ガスを改質器にて生成し、該水素含有ガスにより可燃性ガス流路のパージを行うことができる。 In addition, when it is determined that the operating temperature of the evaporator has become a lower limit value or less, the controller controls the heater to be heated by the heater. For this reason, in accordance with the temperature drop in the fuel cell shutdown process, the evaporator cannot sufficiently evaporate water, and it is possible to prevent a problem that the reforming reaction does not proceed sufficiently in the reformer. Can do. Therefore, it is possible to continuously generate the hydrogen-containing gas in the reformer even in the fuel cell shutdown process, and to purge the combustible gas channel with the hydrogen-containing gas.
したがって、本発明に係る燃料電池システムは、耐久性の向上を図りながら運転停止することができるという効果を奏する。 Therefore, the fuel cell system according to the present invention has an effect that the operation can be stopped while improving the durability.
また、本発明の第13の態様に係る燃料電池システムは、上記した第12の態様において、前記燃料電池から排出された前記可燃性ガスと前記酸化剤ガスとを含む排気ガスを浄化する浄化器を備え、前記温度検知部は、前記蒸発器、前記改質器、および前記燃料電池の温度に加え、これらと連動して変化する前記浄化器の温度のうちの少なくともいずれか1つの温度を検知するように構成されていてもよい。 The fuel cell system according to a thirteenth aspect of the present invention is the purifier for purifying the exhaust gas containing the combustible gas and the oxidant gas discharged from the fuel cell in the twelfth aspect. The temperature detector detects at least one of the temperatures of the evaporator, the reformer, and the fuel cell, and the temperature of the purifier that changes in conjunction therewith. It may be configured to.
また、本発明の第14の態様に係る燃料電池システムは、上記した第12または第13の態様において、前記改質器とは別体で設けられ、発電原料を改質し、前記燃料電池に供給する予備改質器をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器とともに前記予備改質器を加熱させるように制御する構成であってもよい。 A fuel cell system according to a fourteenth aspect of the present invention is the fuel cell system according to the twelfth or thirteenth aspect, provided separately from the reformer, reforming a power generation raw material, A pre-reformer for supplying, and when the controller determines that the operating temperature of the evaporator has become a lower limit value or less based on the detection result of the temperature detector, the controller uses the heater together with the evaporator. The configuration may be such that the pre-reformer is controlled to be heated.
上記構成によると、予備改質器を備え、該予備改質器は蒸発器とともに加熱器により加熱される。このため、燃料電池の停止後における改質器の温度低下により該改質器にて改質反応が十分に進行しないような場合であっても、該改質器の代わりに加熱器により加熱されている予備改質器によって改質反応を進行させることができる。 According to the above configuration, the pre-reformer is provided, and the pre-reformer is heated by the heater together with the evaporator. For this reason, even if the reforming reaction does not proceed sufficiently in the reformer due to the temperature drop of the reformer after the fuel cell is stopped, it is heated by a heater instead of the reformer. The reforming reaction can be advanced by the preliminary reformer.
それゆえ、本発明の第14の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池の運転停止工程においても継続して水素含有ガスを改質器にて生成し、該水素含有ガスにより可燃性ガス流路のパージを行うことができる。 Therefore, in the fuel cell system according to the fourteenth aspect of the present invention, the hydrogen-containing gas is continuously generated in the reformer even in the fuel cell shutdown process, and the combustible gas flow path is generated by the hydrogen-containing gas. Can be purged.
以下、本発明の実施形態1について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。
Hereinafter,
[実施形態1]
(燃料電池システムの構成)
まず、図1を参照して本発明の実施形態1に係る燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施形態1に係る燃料電池システム100の概略構成の一例を示すブロック図である。なお、燃料電池システム100は燃料電池1として固体酸化物形燃料電池を備える構成を例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。[Embodiment 1]
(Configuration of fuel cell system)
First, the configuration of a fuel cell system 100 according to
図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池1と、改質器2と、着火器4を有する燃焼部3と、発電原料供給器5と、酸化剤ガス供給器6と、改質用材料供給器7と、制御器8とを備えてなる構成である。燃料電池システム100では、各部を連結する流路として、改質用材料流路10と、可燃性ガス流路11と、酸化剤ガス流路12と、燃焼排ガス流路13とが設けられている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a
発電原料供給器5は、改質器2に発電原料を供給するものであり、改質器2へ供給する発電原料の流量を調整可能に構成されていてもよい。例えば、発電原料供給器5は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。発電原料は、発電原料供給源より供給される。発電原料供給源は、例えば、ガスボンベ、ガスインフラなどが挙げられる。
The power generation
酸化剤ガス供給器6は、燃料電池1のカソード21に酸化剤ガスを供給するものであり、燃料電池1のカソード21へ供給する酸化剤ガスの流量を調整可能に構成されていてもよい。例えば、酸化剤ガス供給器6は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。なお、酸化剤ガスは、例えば大気中の空気などが挙げられる。
The oxidant
改質用材料供給器7は、改質器2に改質反応に用いる水(水蒸気)または空気を供給するものであり、改質器2へ供給する水(水蒸気)または空気の流量を調整可能に構成されていてもよい。すなわち、改質器2が水蒸気改質反応により水素含有ガス(改質ガス)を生成する構成の場合、改質用材料供給器7は、改質器2に水(水蒸気)を供給し、改質器2が部分酸化改質反応により水素含有ガスを生成する構成の場合、改質用材料供給器7は、改質器2に空気を供給する。また、改質器2がオートサーマル反応により水素含有ガスを生成する構成の場合、改質用材料供給器7は改質器2に水(水蒸気)および空気の少なくとも一方を供給する。なお、改質用材料供給器7は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
The reforming
改質用材料流路10は、改質用材料供給器7から、可燃性ガス流路11における改質器2の上流側の合流部(不図示)に至る流路であり、改質器2で実施する改質反応で利用する水および空気の少なくとも一方が流通する。
The reforming
可燃性ガス流路11は、発電原料供給器5から改質器2を介して、燃料電池1のアノード20に至る流路であり、可燃性ガスである発電原料または水素含有ガスが流通する。図1に示すように、可燃性ガス流路11は、発電原料供給器5から、燃料電池1におけるアノード20の下流端に至るまでの区間に相当する。すなわち、可燃性ガス流路11は、発電原料を発電原料供給器5から改質器2に導くための流路と、改質器2で発電原料が改質され生成された水素含有ガスを、燃料電池1に導くための流路とを足し合わせた流路である。
The combustible
酸化剤ガス流路12は、酸化剤ガス供給器6から、燃料電池1のカソード21に至る流路であり、酸化剤ガスが流通する。酸化剤ガス流路12は、図1に示すように、酸化剤ガス供給器6から、燃料電池1のカソード21の下流端に至るまでの区間に相当する。
The oxidant
燃料電池1は、可燃性ガス流路11を通じて改質器2から供給された水素含有ガス(改質ガス)と、酸化剤ガス流路12を通じて供給された酸化剤ガスとを利用して、発電反応により発電を行う、例えば、固体酸化物形燃料電池を例示することができる。燃料電池1では、水素含有ガスが供給されるアノード20および酸化剤ガスが供給されるカソード21を有し、該アノード20と該カソード21との間で発電反応を行って発電する燃料電池の単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、燃料電池1は、直列接続したセルスタックを、さらに並列に接続させた構成としてもよい。
The
燃料電池1を構成する燃料電池の単セルとしては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア(YSZ)、イッテルビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池の単セルを用いることができる。例えば、燃料電池の単セルがYSZの場合、厚みにもよるが、約600〜900℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。
As a single cell of the fuel cell constituting the
燃焼部3は、燃料電池1において発電に未利用の水素含有ガスと酸化剤ガスとを火炎燃焼させるための領域である。燃焼部3内には着火器4が設けられており、燃焼部3内に導かれた水素含有ガスが着火器4により着火され、酸化剤ガスとともに火炎燃焼する。そして、この火炎燃焼により、燃料電池1および改質器2等で必要となる熱を発生させるとともに燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路13を通じて系外に放出される。
The
つまり、燃料電池1の発電時には、燃焼部3にて、アノード20側から排出される水素含有ガスと、カソード21側から排出される酸化剤ガスとを火炎燃焼させて大量の熱を発生させるとともに、高温の燃焼排ガスが生成される。火炎燃焼により発生する燃焼排ガスが有する熱は、燃料電池1を発電反応に適した温度に保持したり、改質器2を改質反応に適した温度に加熱したりするために使われる。なお、このように燃焼排ガスが有する熱を有効的に利用するために、燃料電池1、改質器2、および燃焼部3それぞれは、断熱部材によって覆われた、いわゆるホットモジュールと呼ばれる筐体内に、ともに収容されていてもよい。
That is, at the time of power generation of the
一方、燃焼部3で生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路13を通じて系外に放出されるが、高温の燃焼排ガスが持つ熱エネルギーを有効に利用するために、例えば、燃焼排ガス流路13の途中に熱交換器を設けて、カソード21に送られる酸化剤ガスとの熱交換により、該酸化剤ガスを昇温することで、よりエネルギー利用率の高い運転が可能になる。
On the other hand, the combustion exhaust gas generated in the
また、詳細は後述するが、燃料電池システム100では、運転停止工程においてに発電原料を改質した水素含有ガスを用いて可燃性ガス流路11をパージし、酸化剤ガスを用いて酸化剤ガス流路12をそれぞれパージする構成となっている。このため、パージが行われている場合、燃焼部3には燃料電池1のアノード側から水素含有ガスが導かれる。なお、本明細書では発電原料および水素含有ガスを合わせて可燃性ガスと称する。一方、燃料電池1のカソード21側からは酸化剤ガスが導かれる。そして、燃焼部3において、着火器4は可燃性ガスに着火させ、酸化剤ガスとともに火炎燃焼させることとなる。
Further, as will be described in detail later, in the fuel cell system 100, the
改質器2は、発電原料と改質用の水および空気の少なくとも一方とを用いて、改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器2で実施する改質反応としては、上述したように、水蒸気改質反応、オートサーマル反応、および部分酸化反応などが例示される。燃料電池システム100では、改質器2で実施する改質反応に応じて、必要となる機器を適宜、備えていてもよい。例えば、改質反応として水蒸気改質反応を実行する場合、燃料電池システム100は、水蒸気を生成する蒸発器と、蒸発器に水を供給する水供給器を備えてもよい。
The
燃料電池システム100に供給される発電原料は、少なくとも炭素および水素を構成元素とする有機化合物を含む。発電原料としては、具体的には、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG、LNGなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガス、炭化水素、およびメタノールなどのアルコールが例示される。 The power generation raw material supplied to the fuel cell system 100 includes at least an organic compound having carbon and hydrogen as constituent elements. Specific examples of the power generation raw material include city gas mainly composed of methane, natural gas, gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen such as LPG and LNG, hydrocarbon, and alcohol such as methanol. Illustrated.
制御器8は、燃料電池システム100の各部の各種動作を制御するものである。例えば、制御器8は、燃料電池システム100の運転停止工程においてパージを実行する場合、燃料電池1の運転停止からの経過時間、あるいは燃料電池1の温度や改質器2の温度などに応じて、発電原料供給器5、酸化剤ガス供給器6、および改質用材料供給器7を制御する。そして、制御器8は、改質器2に供給する発電原料と、水(水蒸気)または空気の供給量をそれぞれ調整したり、燃料電池1に供給する酸化剤ガスの供給量を調整したりする。
The
かかる制御を実現する構成として、例えば、制御器8が計時器(図示せず)を備え、所定時間の経過により発電原料および酸化剤ガスの供給量をそれぞれ制御する構成としてもよい。あるいは、例えば、燃料電池1または改質器2に温度センサ(燃料電池温度検知部T1、改質器温度検知部T2)等を備え、温度センサによる検知結果に応じて発電原料および酸化剤ガスの供給量をそれぞれ制御する構成としてもよい。
As a configuration for realizing such control, for example, the
また、上記した制御器8は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、MPU、またはCPUが例示される。また、記憶部としては、例えば不揮発性メモリ等が例示される。
Moreover, the above-mentioned
制御器8は、燃料電池システム100の各部に対して集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器から構成されていてもよい。
The
(燃料電池システムの運転停止工程)
次に、本発明の実施形態1に係る燃料電池システム100の運転停止工程の具体例について、図2および図3を参照して説明する。図2は、本発明の実施形態1に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、不図示の記憶部に記憶された制御プログラムを制御器8が読み出し、実行することにより実現されうる。(Fuel cell system shutdown process)
Next, a specific example of the operation stop process of the fuel cell system 100 according to
図3は、図2に示すフローチャートに従って燃料電池システム100が動作した場合における各部の時系列変化の一例を示す図である。図3では、改質器2、および燃料電池1の温度変化、酸化剤ガスおよび水素含有ガスの流量変化、燃焼部3における着火/消火の状態変化を時系列に対応づけて示している。また、水素含有ガス流量の流量変化を示すグラフにおいて、t=0で水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11のパージが開始され、t=tEで水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11のパージが終了することを示す。また、単位時間あたりに供給される水素含有ガス流量は説明の便宜上、一定流量(QF)とする。一方、単位時間あたりに供給される酸化剤ガス流量は説明の便宜上、一定流量(Qo)とする。FIG. 3 is a diagram showing an example of a time-series change of each part when the fuel cell system 100 operates according to the flowchart shown in FIG. In FIG. 3, the temperature change of the
まず、燃料電池システム100において運転停止(発電停止)を指示する信号を受け付ける、あるいは所定条件に基づき運転停止と判断すると、制御器8は運転停止動作を開始する(ステップS9)。なお、制御器8が運転停止と判断する上記した所定条件とは、例えば、燃料電池システム100の総稼働時間が所定時間に達した場合、あるいは燃料電池システム100における総発電量が所定の発電量に達した場合等が挙げられる。制御器8は、運転停止動作を開始すると、燃料電池1における発電が停止させられる。より具体的には、制御器8は発電原料および改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止するように、発電原料供給器5および改質用材料供給器7を制御するとともに、酸化剤ガスの供給を停止するように、酸化剤ガス供給器6を制御する。このようにして燃料電池1の発電が停止させられ、図3に示すように燃料電池1の温度は低下する。
First, when the fuel cell system 100 receives a signal for instructing operation stop (power generation stop) or determines that the operation is stopped based on a predetermined condition, the
制御器8は、例えば、燃料電池1の温度を検知するために設けられた燃料電池温度検知部T1から、その検知結果として燃料電池1の温度情報を受け付ける。そして、制御器8は、燃料電池1の温度と所定温度Ts1との大小関係を判定する(ステップS10)。For example, the
なお、燃料電池1において、水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮しない温度範囲でかつ、燃料電池1の発電停止後の所定時間経過後の温度として所定温度Ts1が設定されている。この所定温度Ts1は、例えば480℃とすることができる。In the
そして、制御器8は、燃料電池1の温度が低下し、Ts1以下となったと判定した場合(ステップS10において「YES」)、酸化剤ガス供給器6を制御して酸化剤ガス流路12を通じて燃料電池1に酸化剤ガスを供給させる(ステップS11)。次いで、制御器8は、発電原料供給器5および改質用材料供給器7を制御して改質器2に発電原料および改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)を供給させる。これにより、改質器2において水素含有ガスが生成され、可燃性ガス流路11を通じて燃料電池1のアノード20に該水素含有ガスが供給される(ステップS12)。If the
すなわち、酸化剤ガスによって酸化剤ガス流路12をパージする。そして、酸化剤ガス流路12をパージした酸化剤ガスは排ガスとして燃焼部3に導かれる。一方、可燃性ガスによって可燃性ガス流路11をパージする。特に可燃性ガス流路11において改質器2から燃料電池1のアノード20の下流端までの区間については水素含有ガスによってパージする。そして、可燃性ガス流路11をパージした水素含有ガスは排ガスとして燃焼部3に導かれる。
That is, the oxidizing
このように、燃料電池システム100では、発電停止後に燃料電池1の温度がTs1以下となることをトリガとして、パージが開始される。なお、上記ではステップS11の処理とステップS12の処理を異なるタイミングで実施する構成となっていたがステップS11の処理とステップS12の処理とを同時に行ってもよい。Thus, in the fuel cell system 100, the purge is started when the temperature of the
次に、制御器8は、燃焼部3に設けられた着火器4を動作させて、燃料電池1から排出された排ガスに着火させる(ステップS13)。すなわち、制御器8は、燃料電池1のアノード20から排出された水素含有ガスに着火させ、カソード21から排出される酸化剤ガスとともに火炎燃焼させる。この火炎燃焼による熱により燃料電池1は、加熱され、Ts1近傍まで低下した温度が、図3に示すように徐々に上がっていく。また、改質器2の温度も図3に示すように燃料電池1の温度変化に連動して変化し、低下した温度が徐々に上がっていく。Next, the
このように発電原料を改質して生成した水素含有ガスを用いたパージにより燃料電池1のアノード20側から燃焼部3に水素含有ガスを排出し、カソード21側から燃焼部3に排出された酸化剤ガスとともに火炎燃焼させる。これにより、水素含有ガス等の可燃性ガスがそのまま、燃焼排ガス流路13を通して外部大気中に放出されることを防ぐことができる。また、発電原料そのものではなく発電原料を改質した水素含有ガスにより可燃性ガス流路11のパージを行う構成であるため、高温な状態の改質器2および燃料電池1に発電原料が流通し、改質器2および燃料電池1において炭素析出することを防止することができる。
The hydrogen-containing gas was discharged from the
次に、制御器8は、不図示の計時器で計測した水素含有ガスによるトータルのパージ時間(総パージ時間)と、所定の必要パージ時間tallとの大小関係を判定する(ステップS14)。なお、必要パージ時間tallは、少なくとも改質器2から燃料電池1のアノードに至る可燃性ガス流路11の区間を水素含有ガスで満たすために必要な時間とすることができる。また、総パージ時間は、図3に示すように水素含有ガスが供給されている時間(パージ時間ton)を足し合わせた時間(Σton)となる。なお、実施形態1に係る燃料電池システム100では、発電原料供給器5による発電原料の供給時間を、水素含有ガスの供給時間とみなすことができる。Next, the
つまり、実施形態1に係る燃料電池システム100は、継続して発電原料および改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)を供給し、水素含有ガスを生成させ、該水素含有ガスにより所定時間の間、パージを実行する構成ではなく、発電原料および改質用材料の供給を間欠的に行い、水素含有ガスによりパージを行う構成となっている。これは、発電原料の供給を間欠的とすることで、燃焼部3における水素含有ガスの燃焼熱により燃料電池1が過昇温となることを防いだり、発電原料の消費量を抑制したりするためである。このため、総パージ時間とは複数回にわたって供給された水素含有ガスによるパージ時間それぞれの合計となる。
That is, the fuel cell system 100 according to
ステップS14の判定の結果、総パージ時間が必要パージ時間tall未満ではない、すなわち必要パージ時間に達したと制御器8が判定したとき(ステップS14において「NO」)、可燃性ガス流路11のパージが完了したと判断する。そこで、ステップS14において「NO」の場合、制御器8は、可燃性ガス流路11への発電原料の供給を停止するように発電原料供給器5を制御するとともに、改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止するように改質用材料供給器7を制御する。これにより可燃性ガス流路11への水素含有ガスの供給を停止させる(ステップS15)。次に、制御器8は、酸化剤ガス供給器6を制御して酸化剤ガス流路12への酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS16)。そして、燃料電池システム100におけるパージが完了し、運転停止工程を終了する。As a result of the determination in step S14, when the
なお、改質用材料供給器7に残留した水が運転停止工程において蒸発することで、アノード20側の方がカソード21側よりも圧力が高くなるため、上述したように水素含有ガスの供給停止を酸化剤ガスの供給停止よりも先に行うことで、水素含有ガスのカソード21側への逆流を防ぐことができる。
Since the water remaining in the reforming
また、制御器8は、上記したステップS15、S16の前に燃料電池1の温度が所定温度Ts2以下となったか否か判定する構成としてもよい。そして、制御器8が燃料電池1の温度が所定温度Ts2以下となったと判定した場合、上記したステップS15およびステップS16を実施するように構成されていてもよい。なお、所定温度Ts2は150℃とすることができる。すなわち、運転停止工程において燃料電池1のスタック温度が150℃以上の場合、水素含有ガスをアノード側に供給していないと、アノード側において下流部から酸化剤ガスが逆流し、酸化してしまう場合があるからである。そこで、燃料電池1のスタック温度が150℃未満となるか否か判定し、150℃未満となった場合に、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止するように構成してもよい。Further, the
一方、ステップS14の判定の結果、制御器8が水素含有ガスによる総パージ時間が必要パージ時間tall未満であると判定した場合(ステップS14において「YES」)は、ステップS17に進む。ステップS17では、制御器8は、水素含有ガスによるパージ時間tonと所定時間(パージ時間tpre-on)との比較判定を行う。なお、パージ時間tonとは、1回あたりの水素含有ガスの供給時間、換言すると1回あたりの発電原料および改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給時間である。On the other hand, if the
つまり、制御器8は、不図示の計時器で計測された時間に基づき、水素含有ガスによるパージ時間tonとあらかじめ設定されたパージ時間tpre-onとの大小関係を判定する。そして、制御器8が、水素含有ガスによるパージ時間tonがあらかじめ設定されたパージ時間tpre-on以上となると判定した場合、(ステップS17において「YES」)、発電原料と改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止させることで、水素含有ガスの供給を停止させる(ステップS18)。That is, the
ここで、水素含有ガスによるパージ時間tonとあらかじめ設定されたパージ時間tpre-onとの大小関係を判定するのは、以下の理由による。すなわち、水素含有ガスによるパージ時間tonがあらかじめ設定されたパージ時間tpre-on以上となるということは、燃焼部3に導かれた水素含有ガスの燃焼時間が長くなるということである。このように燃焼部3での燃焼時間が長くなると、燃焼部3における燃焼熱により加熱される燃料電池1および改質器2が過昇温となってしまう。燃料電池1および改質器2が過昇温となり、改質触媒および燃料電池1のアノードの温度が過度に上昇すると、運転停止工程の動作時間が長時間化し、その分だけ余分に発電原料を消費してしまう。このため、燃料電池システム100の起動から停止までのトータルでの発電・燃費効率が低下することとなる。Here, the magnitude relationship between the purge time t on with the hydrogen-containing gas and the preset purge time t pre-on is determined for the following reason. That is, the fact that the purge time t on with the hydrogen-containing gas is equal to or longer than the purge time t pre-on set in advance means that the combustion time of the hydrogen-containing gas introduced to the
そこで、この燃料電池1および改質器2の過昇温を防止するために、水素含有ガスによるパージ時間tonを監視し、あらかじめ設定されたパージ時間tpre-onに達した場合、制御器8は、水素含有ガスの供給を停止させる。Therefore, in order to prevent overheating of the
ステップS18で水素含有ガスの供給を停止させた後、制御器8は、水素含有ガスの供給停止時間Toffと所定時間(設定供給停止時間tpre-off)との比較判定を行う(ステップS19)。つまり、制御器8は、不図示の計時器で計測された時間に基づき、水素含有ガスの供給停止時間Toffとあらかじめ設定された供給停止時間(設定供給停止時間tpre-off)との大小関係を判定する。そして、制御器8が、水素含有ガスの供給停止時間toffが設定された供給停止時間tpre-off以上となると判定した場合(ステップS19において「YES」)、水素含有ガスの供給を再開する(ステップS20)。After stopping the supply of the hydrogen-containing gas in step S18, the
ここで、水素含有ガスの供給停止時間toffと設定された供給停止時間tpre-offとの大小関係を判定するのは、下記の理由からである。つまり、燃料電池システム100では、燃焼部3で発生した燃焼排ガスが燃焼排ガス流路13を通じて大気解放されるように構成されている。このため、水素含有ガスの供給を長時間停止した場合、燃料電池1、および改質器2の温度低下に伴い可燃性ガス流路11内のガスが収縮することにより、可燃性ガス流路11に外気中の空気が流入し、改質器2の改質触媒および燃料電池1のアノードを酸化させてしまう。特にアノードが酸化されると燃料電池1の耐久性を著しく低下させてしまう。そこで、可燃性ガス流路11に外気中の空気が流入してくることを防ぐために、水素含有ガスの供給停止時間toffを制御器8は監視する。Here, the magnitude relationship between the supply stop time t off of the hydrogen-containing gas and the set supply stop time t pre-off is determined for the following reason. That is, the fuel cell system 100 is configured such that the combustion exhaust gas generated in the
なお、上述したアノードの酸化は、可燃性ガス流路11の燃焼部3に近い出口側における電気化学反応を伴わない酸化だけではなく、高酸素濃度状態のアノードの出口側と低酸素濃度状態のアノードの入口側との間で酸化物イオンと電子のやりとりで起こる電気化学反応を伴う局部電池反応によっても起こる。
In addition, the oxidation of the anode described above is not only an oxidation without an electrochemical reaction on the outlet side near the
また、燃料電池システム100では、発電原料の供給に対して常に同じ供給期間に一定量の改質用材料を供給する必要はない。例えば、燃料電池1および改質器2の温度が、発電原料が分解され炭素析出されないような温度まで低下した場合は、改質器2で生成される水素含有ガスのスチーム/カーボン比(S/C)が小さくなるように、供給する発電原料と不図示の蒸発器で水蒸気化させる改質水とのそれぞれの供給量の比を変化させるように、発電原料供給器5および改質用材料供給器7を制御する構成としてもよい。S/Cを小さくしようとすると、所定値以下では改質水の供給は停止させられる。このため、燃料電池システム100では、発電原料を供給している際に、改質水の供給が間欠的に行われる場合もある。
Further, in the fuel cell system 100, it is not always necessary to supply a certain amount of the reforming material during the same supply period with respect to the supply of the power generation raw material. For example, when the temperature of the
水素含有ガスの供給停止時間toffを監視し、設定供給停止時間tpre-off以上に達した場合(ステップS19において「YES」)、制御器8は、水素含有ガスの供給を再開するように発電原料供給器5を制御する(ステップS20)。もし、このとき、燃料電池1または改質器2の温度が、発電原料が分解され炭素析出されない温度でかつ、水蒸気を凝縮させない温度であれば、可燃性ガス流路11に供給する水素含有ガスのスチーム/カーボン比が小さくなるように発電原料の供給量と水蒸気化させる改質水の供給量との比を変化させるように、制御器8は発電原料供給器5および改質用材料供給器7を制御する構成としてもよい。The supply stop time t off of the hydrogen-containing gas is monitored, and when the set supply stop time t pre-off or more is reached (“YES” in step S19), the
以上のように、ステップS20で水素含有ガスの供給を再開すると、ステップS13に戻る。そして、ステップS14の判定で、水素含有ガスを供給した総パージ時間が、必要パージ時間tall以上になるまでステップS13からステップS20までの処理を繰り返す。As described above, when the supply of the hydrogen-containing gas is resumed in step S20, the process returns to step S13. Then, in the determination in step S14, the processing from step S13 to step S20 is repeated until the total purge time when the hydrogen-containing gas is supplied becomes equal to or longer than the necessary purge time t all .
なお、上記では水素含有ガスを間欠的に供給する構成について説明したが、酸化剤ガスもあわせて間欠的に供給する構成としてもよい。酸化剤ガスも間欠的に供給する構成の場合、例えば、燃料電池システム100を、以下のように構成してもよい。 In addition, although the structure which supplies hydrogen-containing gas intermittently was demonstrated above, it is good also as a structure which supplies oxidant gas also together. In the case where the oxidizing gas is also supplied intermittently, for example, the fuel cell system 100 may be configured as follows.
すなわち、図2に示すステップS18で水素含有ガスの供給が停止された後に、制御器8が酸化剤ガス供給器6に指示して、酸化剤ガスの供給を停止させる。さらに、ステップS20で水素含有ガスの供給が再開された後に、制御器8が酸化剤ガス供給器6に指示して、供給を停止している酸化剤ガスの供給を再度、開始させる。なお、酸化剤ガスの供給停止および供給再開のタイミングは、上記したように水素含有ガスの供給停止および供給再開の後に行われてもよいし、同時に行われてもよい。
That is, after the supply of the hydrogen-containing gas is stopped in step S18 shown in FIG. 2, the
[実施形態1の変形例1]
(変形例1に係る燃料電池システムの運転停止工程)
上記では、水素含有ガスによるパージ時間tonおよび供給停止時間toffを監視し、水素含有ガスの供給および停止を制御する構成であったがこれに限定されるものではない。例えば、図4に示すように燃料電池1または改質器2の温度変化を監視し、水素含有ガスの供給および停止を制御する構成としてもよい。図4は、本発明の実施形態1の変形例1に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、不図示の記憶部に記憶された制御プログラムを制御器8が読み出し、実行することにより実現されうる。[
(Operation stop process of fuel cell system according to Modification 1)
In the above description, the purge time t on and the supply stop time t off by the hydrogen-containing gas are monitored and the supply and stop of the hydrogen-containing gas are controlled. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 4, the temperature change of the
図4に示す運転停止工程のフローチャートは、ステップS37およびステップS39の処理のみ図2に示す運転停止工程のフローチャートと異なり、それ以外のステップは共通である。このため、以下では主としてステップS37およびステップS39について説明する。 The flowchart of the operation stop process shown in FIG. 4 is different from the flowchart of the operation stop process shown in FIG. 2 only in the processing of step S37 and step S39, and other steps are common. For this reason, below, step S37 and step S39 are mainly demonstrated.
ステップS34の判定の結果、制御器8が水素含有ガスによる総パージ時間が必要パージ時間tall未満であると判定した場合(ステップS34において「YES」)は、ステップS37に進む。ステップS37では、制御器8は、改質器2に充填された改質触媒の温度(改質器温度)または、燃料電池1の燃料電池スタックの代表温度(燃料電池温度)の温度変化を監視し、温度変化が所定温度範囲内にあるか否か判定する。より具体的には、制御器8は、ステップS33で排ガスに着火した時点における改質器2の温度から上昇した温度(改質器上昇温度)が上昇温度TR-up以上か否か判定する。または、制御器8は、ステップS33で排ガスに着火した時点における燃料電池1の温度から上昇した温度(燃料電池上昇温度)が上昇温度TS-up以上か否か判定する。Is determined in step S34, if the
つまり、制御器8は、改質器2に設けられた改質器温度検知部T2から改質触媒の温度(改質器温度)に関する情報を受け付け、改質器温度の温度変化の履歴を記録する。そして、排ガスに着火した時点の改質器温度が、予め設定された改質器2の上昇温度TR-up以上、上昇したか否か判定する。もしくは、制御器8は、燃料電池温度検知部T1から燃料電池温度に関する情報を受け付け、この燃料電池温度の温度変化の履歴を記録する。そして、排ガスに着火した時点の燃料電池温度が、予め設定された燃料電池1の上昇温度TS-up以上、上昇したか否か判定する。That is, the
なお、燃料電池温度は、改質器温度と連動して温度変化しており、ステップS37の判定においていずれかの温度を選択すればよい。また、温度変化に対する応答性は、燃料電池1より改質器2の方が高いため、改質器2の上昇温度TR-upの方が燃料電池1の上昇温度TS-upよりも上昇幅が大きくなる。このため、改質器2の上昇温度TR-upの方が燃料電池1の上昇温度TS-upよりも温度幅が大きくなるように設定してもよい。The fuel cell temperature changes in conjunction with the reformer temperature, and any temperature may be selected in the determination in step S37. Further, since the
そして、制御器8が、改質器上昇温度が上昇温度TR-up以上と判定した場合、または燃料電池上昇温度が上昇温度TS-up以上と判定した場合(ステップS37において「YES」)、発電原料と改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止させることで、水素含有ガスの供給を停止させる(ステップS38)。When the
ここで、上昇温度TR-upまたは上昇温度TS-upを設定するのは、燃焼部3における燃焼熱により加熱され、改質器温度または燃料電池温度が過度に上昇するのを防止するためである。Here, the rising temperature T R-up or the rising temperature T S-up is set in order to prevent the reformer temperature or the fuel cell temperature from excessively rising due to heating by the combustion heat in the
ステップS38で水素含有ガスの供給を停止させた後、制御器8は、改質器2に充填された改質触媒の温度(改質器温度)または、燃料電池1の燃料電池スタックの代表温度(燃料電池温度)の温度変化を監視し、所定温度範囲内にあるか否か判定する。より具体的には、制御器8は、ステップS38で水素含有ガスの供給を停止した時点における改質器2の温度から下降した温度(改質器下降温度)が下降温度TR-down以上か否か判定する。または、制御器8は、ステップS38で水素含有ガスの供給を停止した時点における燃料電池1の温度から下降した温度(燃料電池下降温度)が下降温度TS-up以上か否か判定する(ステップS39)。After stopping the supply of the hydrogen-containing gas in step S38, the
つまり、制御器8は、改質器2に設けられた改質器温度検知部T2から改質器温度に関する情報を受け付け、この改質器温度の温度変化の履歴を記録する。そして、改質器温度が、予め設定された改質器2の下降温度TR-down以上、下降したか否か判定する。もしくは、制御器8は、燃料電池スタックに設けられた燃料電池温度検知部T1から燃料電池スタックの代表温度(燃料電池温度)に関する情報を受け付け、この燃料電池温度の温度変化の履歴を記録する。そして、燃料電池温度が、予め設定された燃料電池1の下降温度TS-down以上、下降したか否か判定する。また、上記したように、温度変化に対する応答性は、燃料電池1より改質器2の方が高いため、改質器2の下降温度TR-downの方が、燃料電池1の下降温度TS-downよりも下降幅が大きくなる。このため、改質器2の下降温度TR-downの方が燃料電池1の下降温度TS-downよりも温度幅が大きくなるように設定してもよい。That is, the
そして、制御器8が、改質器下降温度が下降温度TR-down以上、または燃料電池下降温度が下降温度TS-down以上と判定した場合(ステップS39において「YES」)、水素含有ガスの供給を再開する(ステップS40)。When the
なお、変形例1に係る燃料電池システムにおいて、改質器2の上昇温度TR-upまたは燃料電池1の上昇温度TS-upは、本発明の上昇値に相当する。一方、改質器2の下降温度TR-downまたは燃料電池1の下降温度TS-downは、本発明の下降値に相当する。In the fuel cell system according to
以上のように、実施形態1に係る燃料電池システム100では、運転停止工程を実施する際に、上記したフローチャートに示すステップを実行することで、可燃性ガス流路11のパージに利用した可燃性ガス(水素含有ガス)を燃焼部3において火炎燃焼させることができるため、可燃性ガスをそのまま大気中に放出することを防ぐことができる。また、可燃性ガス流路11のパージには、発電原料を改質して得られた水素含有ガスを利用しているため、例えば、燃料電池1が高温のため炭素析出してしまうといった問題を防ぐこともできる。
As described above, in the fuel cell system 100 according to the first embodiment, the combustibility used for purging the combustible
さらに、水素含有ガスを間欠的に供給するように構成することで、燃焼部3における燃焼熱により加熱される改質器2および燃料電池1が過昇温することを防止することができる。また、過度に温度低下して可燃性ガス流路11中の水蒸気が凝縮したりすることを防ぐこともできる。さらにまた、水素含有ガスの供給を間欠的とすることで、パージに利用する原料の供給量を抑制できるため、燃料電池システムの停止操作における消費エネルギーの低減を実現できる。
Furthermore, it is possible to prevent the temperature of the
なお、上記では、制御器8は、改質器2の上昇温度(改質器上昇温度)の大きさが上昇温度TR-up以上か否か、または、燃料電池1の上昇温度(燃料電池上昇温度)の大きさが上昇温度TS-up以上か否か判定し、水素含有ガスの停止を決定する構成であった。さらにまた、制御器8は、改質器2の下降温度(改質器下降温度)の大きさが下降温度TR-down以上か否か、または、燃料電池1の下降温度(燃料電池下降温度)の大きさが下降温度TS-up以上か否か判定し、水素含有ガスの再開を決定する構成であった。すなわち、改質器温度または燃料電池温度の上昇または下降の温度幅に応じて水素含有ガスの供給および停止を制御する構成であった。In the above, the
しかしながら、水素含有ガスの供給および停止を制御するためのトリガは、上記した改質器温度または燃料電池温度の上昇および下降の温度幅に限定されるものではない。例えば、改質器温度または燃料電池温度の温度プロファイルを記録し、温度変化の傾きの大きさをトリガとして水素含有ガスの供給および停止を制御する構成としてもよい。 However, the trigger for controlling the supply and stop of the hydrogen-containing gas is not limited to the above-described temperature range of rise and fall of the reformer temperature or the fuel cell temperature. For example, the temperature profile of the reformer temperature or the fuel cell temperature may be recorded, and the supply and stop of the hydrogen-containing gas may be controlled using the magnitude of the temperature change gradient as a trigger.
[実施形態1の変形例2]
(変形例2に係る燃料電池システムの構成)
また、燃料電池システム100はさらに、脱硫器9を備え、脱硫器9に充填された脱硫触媒の温度(脱硫器温度)の変化を監視し、水素含有ガスの供給および停止を制御する構成としてもよい。以下、実施形態1の変形例2として、脱硫器温度を監視し、該脱硫器温度の上昇温度または下降温度の温度幅に応じて水素含有ガスの供給および停止を制御する構成について図5を参照して説明する。[
(Configuration of fuel cell system according to Modification 2)
In addition, the fuel cell system 100 may further include a
図5は、本発明の実施形態1の変形例2に係る燃料電池システム100の概略構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system 100 according to
図5に示すよう、変形例2に係る燃料電池システム100は、図1に示す燃料電池システム100の構成においてさらに脱硫器9と、脱硫器9に充填された脱硫触媒の温度(脱硫器温度)を検知する脱硫器温度検知部T3と、脱硫器9を加熱する加熱部15とを備える点で異なる。さらに、脱硫器9に燃料電池1から排出された水素含有ガスの一部を供給するためのリサイクル流路14も備えている点で異なる。それ以外の点では、図1に示す実施形態1の燃料電池システム100の構成と同様であるため同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
As shown in FIG. 5, the fuel cell system 100 according to
脱硫器9は、発電原料中の硫黄化合物を除去するものであり、例えば、水添脱硫器または常温脱硫器が例示できる。この脱硫器9によって脱硫された発電原料は、改質器2へと供給される。脱硫器9は、図5に示すように可燃性ガス流路11において改質器2の上流側に加熱部15とともに設けられている。
The
脱硫器9が水添脱硫器の場合、脱硫器が水添脱硫器の場合、容器に水添脱硫剤が充填され構成される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するCoMo系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒、またはCuZn系触媒とで構成してもよい。
When the
水添脱硫剤に、触媒金属としてニッケル(Ni)を含む場合がある。この場合、水添脱硫器の暖機前の低温時(例えば、150℃未満)に、原料及びリサイクルガスを水添脱硫剤に供給すると、触媒が劣化する可能性がある。かかる可能性を低減するために、図示しない温度検知器等を用いて脱硫器内の水添脱硫剤の温度を検知し、脱硫器内の水添脱硫剤が所定の温度以上になっている場合にのみ発電原料を水添脱硫器に供給するように構成してもよい。また、水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合は、脱硫器は例えば、約150℃〜350℃が運転可能範囲であり、好ましくは約250℃〜320℃が適温の動作範囲となる。脱硫器が常温脱硫器の場合、発電原料中の硫黄化合物を常温で除去することができる。ここで常温とは、水添脱硫器の使用温度(例えば、300℃前後)に比べ相対的に常温域に近いという意味である。つまり、常温脱硫器が有効に機能する温度域は、常温域から脱硫剤が有効に機能する温度範囲までを含む。なお、常温脱硫器としては、Agゼオライト系触媒等が用いられた吸着脱硫剤が充填された脱硫器が挙げられる。 In some cases, the hydrodesulfurization agent contains nickel (Ni) as a catalyst metal. In this case, if the raw material and the recycle gas are supplied to the hydrodesulfurizing agent at a low temperature (for example, less than 150 ° C.) before warming up the hydrodesulfurizer, the catalyst may deteriorate. In order to reduce this possibility, the temperature of the hydrodesulfurization agent in the desulfurizer is detected using a temperature detector (not shown), and the hydrodesulfurization agent in the desulfurizer is at a predetermined temperature or higher. Alternatively, the power generation raw material may be supplied to the hydrodesulfurizer only. When the hydrodesulfurization agent contains copper and zinc, for example, the desulfurizer has an operable range of about 150 ° C. to 350 ° C., and preferably about 250 ° C. to 320 ° C. is an appropriate operating range. When the desulfurizer is a room temperature desulfurizer, sulfur compounds in the power generation raw material can be removed at room temperature. Here, normal temperature means that the temperature is relatively close to the normal temperature range compared to the operating temperature of the hydrodesulfurizer (for example, around 300 ° C.). That is, the temperature range in which the normal temperature desulfurizer functions effectively includes the normal temperature range to the temperature range in which the desulfurizing agent functions effectively. Examples of the room temperature desulfurizer include a desulfurizer filled with an adsorptive desulfurization agent using an Ag zeolite catalyst or the like.
なお、図5に示すように変形例2に係る燃料電池システム100では、可燃性ガス流路11において燃料電池1の下流側で、かつ燃焼部3の上流側となる位置から分岐し、脱硫器9の上流側に連結するようにリサイクル流路14が設けられている。そして、水添脱硫に必要な水素は、改質器2で生成された水素含有ガスの一部が、このリサイクル流路14を通じて脱硫器9に供給されるように構成されている。
As shown in FIG. 5, in the fuel cell system 100 according to the second modification, the desulfurizer is branched from the position downstream of the
なお、変形例2に係る燃料電池システム100では、燃料電池1から排出された水素含有ガスの一部がリサイクル流路14を通じて脱硫器9に供給される構成であるが、これに限定されるものではない。例えば、リサイクル流路14が、可燃性ガス流路11における改質器2の下流側でかつ燃料電池1の上流側となる位置から分岐しており、改質器2から排出された水素含有ガスの一部がこのリサイクル流路14を通じて脱硫器9に供給される構成としてもよい。
In addition, in the fuel cell system 100 according to the modified example 2, a part of the hydrogen-containing gas discharged from the
加熱部15は、燃焼排ガス流路13を流通する燃焼排ガスの有する熱で、脱硫器9を脱硫に適した温度まで加熱するためのものであり、その内部には、燃焼排ガスが流通する経路が形成されている。加熱部15において脱硫器9に熱を与えた燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路13を通して燃料電池システム100の系外に排出される。
The
(変形例2に係る燃料電池システムの運転停止工程)
次に、変形例2に係る燃料電池システム100の運転停止工程について、図6、7を参照して説明する。図6は、本発明の実施形態1の変形例2に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、不図示の記憶部に記憶された制御プログラムを制御器8が読み出し、実行することにより実現されうる。(Operation stop process of fuel cell system according to Modification 2)
Next, the operation stop process of the fuel cell system 100 according to
図7は、図6に示すフローチャートに従って燃料電池システム100が動作した場合における各部の時系列変化の一例を示す図である。図7では、改質器2、燃料電池1、および脱硫器9の温度変化、酸化剤ガスおよび水素含有ガスの流量変化、燃焼部3における着火/消火の状態変化を時系列に対応づけて示している。また、水素含有ガス流量の流量変化を示すグラフにおいて、t=0で水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11のパージが開始され、t=tEで水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11におけるパージが終了することを示す。また、単位時間あたりに供給される水素含有ガス流量は説明の便宜上、一定流量(QF)とする。FIG. 7 is a diagram showing an example of a time-series change of each part when the fuel cell system 100 operates according to the flowchart shown in FIG. In FIG. 7, the temperature change of the
実施形態1に係る燃料電池システム100では、水素含有ガスによるパージ時間tonおよび供給停止時間toffを監視し、水素含有ガスの供給および停止を制御する構成であった。これに対して、変形例2に係る燃料電池システムでは、図6に示すように脱硫器9に充填された脱硫触媒の温度(脱硫器温度)の変化を監視し、水素含有ガスの供給および停止を制御する構成としてもよい。The fuel cell system 100 according to
図6に示す運転停止工程のフローチャートは、ステップS57およびステップS59の処理のみ図2に示す運転停止工程のフローチャートと異なり、それ以外のステップは共通である。このため、以下では主としてステップS57およびステップS59について説明する。 The flowchart of the operation stop process shown in FIG. 6 is different from the flowchart of the operation stop process shown in FIG. 2 only in the processing of step S57 and step S59, and other steps are common. For this reason, below, step S57 and step S59 are mainly demonstrated.
ステップS54の判定の結果、制御器8が水素含有ガスによる総パージ時間が必要パージ時間tall未満であると判定した場合(ステップS54において「YES」)は、ステップS57に進む。ステップS57では、制御器8は、脱硫器温度の温度変化を監視し、温度変化が所定温度範囲内にあるか否か判定する。より具体的には、制御器8は、脱硫器9の上昇温度(脱硫器上昇温度)が上昇温度TD-up以上か否か判定する。As a result of the determination in step S54, when the
つまり、制御器8は、脱硫器9に設けられた脱硫器温度検知部T3によって検知された脱硫器温度に関する情報を受け付け、脱硫器温度の温度変化の履歴を記録する。そして、脱硫器温度が、予め設定された脱硫器9の上昇温度TD-up以上、上昇したか否か判定する。なお、上記したように脱硫器9は、加熱部15を通じて燃焼排ガスが有する熱により加熱される構成である。このため、脱硫器温度は、燃料電池温度および改質器温度と連動して温度変化する。That is, the
そして、制御器8が、脱硫器上昇温度が上昇温度TD-up以上と判定した場合(ステップS57において「YES」)、発電原料と改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止させることで、水素含有ガスの供給を停止させる(ステップS58)。When the
ここで、脱硫器温度の上昇温度TD-upを設定するのは、燃焼部3で発生した燃焼排ガスの熱により脱硫器9が加熱され、脱硫器温度が過度に上昇することを防止するためである。また、脱硫器温度の温度変化と燃料電池温度の温度変化と改質器温度の温度変化とはそれぞれ連動しているため、脱硫器温度が過度に上昇することを防止するということは、換言すると燃料電池1および改質器2が過度に上昇することを防止するということになる。Here, the rise temperature TD -up of the desulfurizer temperature is set in order to prevent the desulfurizer temperature from being excessively increased by heating the
ステップS58で水素含有ガスの供給を停止させた後、制御器8は、脱硫器温度の温度変化を監視し、所定温度範囲内にあるか否か判定する。より具体的には、制御器8は、脱硫器9の下降温度(脱硫器下降温度)が下降温度TD-down以上か否か判定する(ステップS59)。After stopping the supply of the hydrogen-containing gas in step S58, the
つまり、制御器8は、脱硫器9に設けられた脱硫器温度検知部T3から脱硫器温度に関する情報を受け付け、この脱硫器温度の温度変化の履歴を記録する。そして、脱硫器温度が、予め設定された脱硫器9の下降温度TR-down以上、下降したか否かを判定する。そして、制御器8が、脱硫器下降温度が下降温度TD-down以上と判定した場合(ステップS59において「YES」)、水素含有ガスの供給を再開する(ステップS60)。That is, the
なお、ステップS60において、脱硫器9の下降温度TD-downを設定する理由は、水素含有ガスを供給停止している間に、脱硫器9、さらには改質器2、燃料電池1の温度が低下し、可燃性ガス流路11に残留した水蒸気を含む水素含有ガスの温度が露点以下になって水が凝縮し、脱硫器9、改質器2、燃料電池1の触媒や電極の耐久性を著しく低下させてしまうのを防ぐためである。In step S60, the reason for setting the descending temperature TD-down of the
なお、変形例2に係る燃料電池システムにおいて、脱硫器9の上昇温度TD-upおよび脱硫器9の下降温度TD-downは、本発明の上昇値および下降値に相当する。In the fuel cell system according to
以上のように、変形例2に係る燃料電池システム100では、運転停止工程を実施する際に、上記したフローチャートに示すステップを実行することで、可燃性ガス流路11のパージに利用した可燃性ガス(水素含有ガス)を燃焼部3において火炎燃焼させることができるため、可燃性ガスをそのまま大気中に放出することを防ぐことができる。また、可燃性ガス流路11のパージには、発電原料を改質して得られた水素含有ガスを利用しているため、例えば、燃料電池1および改質器2が高温のため炭素析出してしまうといった問題を防ぐこともできる。
As described above, in the fuel cell system 100 according to the modified example 2, the combustibility used for purging the combustible
さらに、水素含有ガスを間欠的に供給するように構成することで、燃焼部3における火炎燃焼の熱により加熱される脱硫器9、改質器2および燃料電池1が過昇温することを防止することができる。また、過度に温度低下して可燃性ガス流路11中の水蒸気が凝縮したりすることを防ぐこともできる。さらにまた、水素含有ガスの供給を間欠的とすることで、パージに利用する原料の供給量を抑制できるため、燃料電池システム100の運転停止工程における消費エネルギーの低減を実現できる。
Further, the hydrogen-containing gas is intermittently supplied to prevent the
なお、上記では、制御器8は、脱硫器9の上昇温度(脱硫器上昇温度)の大きさが上昇温度TD-up以上か否か判定し、水素含有ガスの停止を決定する構成であった。さらにまた、制御器8は、脱硫器9の下降温度(脱硫器下降温度)の大きさが下降温度TD-down以上か否か判定し、水素含有ガスの再開を決定する構成であった。すなわち、脱硫器温度の上昇または下降の温度幅に応じて水素含有ガスの供給および停止を制御する構成であった。In the above description, the
しかしながら、水素含有ガスの供給および停止を制御するためのトリガは、上記した脱硫器温度の上昇および下降の温度幅に限定されるものではない。例えば、脱硫器温度の温度プロファイルを記録し、温度変化の傾きの大きさをトリガとして水素含有ガスの供給および停止を制御する構成としてもよい。 However, the trigger for controlling the supply and stop of the hydrogen-containing gas is not limited to the above-described temperature range of increase and decrease of the desulfurizer temperature. For example, the temperature profile of the desulfurizer temperature may be recorded, and the supply and stop of the hydrogen-containing gas may be controlled by using the magnitude of the temperature change slope as a trigger.
[実施形態1の変形例3]
(変形例3に係る燃料電池システムの構成)
次に、本発明の実施形態1の変形例3に係る燃料電池システム100の構成について図8を参照して説明する。図8は、本発明の実施形態1の変形例3に係る燃料電池システム100の概略構成の一例を示すブロック図である。[
(Configuration of fuel cell system according to Modification 3)
Next, the configuration of the fuel cell system 100 according to
変形例3に係る燃料電池システム100は、図5に示す変形例2に係る燃料電池システム100の構成において、浄化器16と、浄化器16の温度を検知する浄化器温度検知部T4とをさらに備えた構成となっている。それ以外の点では、図5に示す変形例2に係る燃料電池システム100の構成と同様であるため同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
The fuel cell system 100 according to
浄化器16は、燃焼部3から排出された燃焼排ガスに含まれる可燃性ガスを除去する。例えば、浄化器16は、燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素や窒素酸化物および残留メタン等の炭化水素を二酸化炭素や二酸化窒素および水蒸気(水)にして浄化する。浄化器16は、図8に示すように、燃焼排ガス流路13において、脱硫器9を加熱する加熱部15の下流側に設けられている。
The
浄化器16に充填する浄化触媒としては、例えば、容器に燃焼触媒および排ガス浄化触媒が充填されて構成される。燃焼触媒および排ガス浄化触媒は、例えば、白金、パラジウム、およびロジウムのうち少なくとも1つを含浸したアルミナ担体、またはメタル担体を用いることができる。なお、燃焼触媒および排ガス浄化触媒はこれらに限定されるものではなく、最適な温度範囲に維持したとき、燃焼反応および浄化反応を進行させ得る触媒であればよい。なお、燃焼反応および浄化反応とは、燃焼排ガス流路13を流通するガスに含まれる炭化水素、水素、一酸化炭素、および窒素酸化物などの未燃の可燃ガスを浄化する反応を言う。Pd−Al2O3系浄化触媒の場合、浄化器16は所定温度、(例えば130℃)以上で燃焼排ガス中の可燃性ガスを除去する。ただし温度が高すぎるとPdの凝集などにより触媒活性が低下するため、所定の温度(例えば、300℃)以下を維持することが望ましい。
As a purification catalyst with which the
浄化器16は、加熱部15で脱硫器9を加熱し、保有する熱の一部を失った燃焼排ガスにより加熱されるように構成されている。このように浄化器16が燃焼排ガスの熱により加熱される構成の場合、この燃焼排ガスの熱をより有効に活用できるように、浄化器16を、脱硫器9と近接する位置に設けた構成としてもよい。なお、浄化器16を通過した燃焼排ガスは、上述のように浄化器16を加熱しつつ、可燃性ガスが浄化された状態で燃料電池システム100の系外に排出される。
The
(変形例3に係る燃料電池システムの運転停止工程)
次に、以下において変形例3に係る燃料電池システム100の運転停止工程について、図9を参照して説明する。図9は、本発明の実施形態1の変形例3に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、不図示の記憶部に記憶された制御プログラムを制御器8が読み出し、実行することにより実現されうる。(Operation stop process of fuel cell system according to Modification 3)
Next, the operation stop process of the fuel cell system 100 according to
実施形態1に係る燃料電池システム100では、図2に示すように、酸化剤ガスが供給され(ステップS11)、水素含有ガスが供給された(ステップS12)後、着火器4により燃料電池1から排出された排ガスに着火する(ステップS13)ように構成されていた。これに対して、変形例3に係る燃料電池システム100では、水素含有ガスが供給された後、浄化器16の温度が所定温度Tpuri以上か否か判定し、所定温度Tpuri未満の場合にのみ着火器4が排ガスに着火するように構成されている点で異なる。すなわち、図9におけるステップS73のみ新たに追加されており、それ以外のステップS70〜72、74〜81は、図2におけるステップS10〜20と共通である。このため、以下では主としてステップS73について説明する。In the fuel cell system 100 according to the first embodiment, as shown in FIG. 2, the oxidant gas is supplied (step S11), and the hydrogen-containing gas is supplied (step S12). The exhaust gas discharged is ignited (step S13). In contrast, in the fuel cell system 100 according to
ステップS71において、酸化剤ガス流路12に酸化剤ガスが供給され、ステップS72において可燃性ガス流路11に水素含有ガスが供給されると、制御器8は、浄化器16の温度変化を監視する。具体的には、制御器8は、浄化器16に設けられた浄化器温度検知部T4によって検知された浄化器16に充填された浄化触媒の温度(浄化器温度)に関する情報を受け付け、この浄化器温度と所定温度Tpuriとの大小関係を判定する(ステップS73)。ここで、所定温度Tpuriとは、浄化触媒が活性する温度範囲の下限温度であり、Pd−Al2O3系浄化触媒の場合、所定温度Tpuriは、約130℃となる。このため、制御器8が、浄化器温度が所定温度Tpuri以上であると判定した場合(ステップS73において「YES」)は、浄化器16により燃焼排ガス中に含まれる可燃性ガスを浄化できる状態にある。逆に、制御器8が、浄化器温度が所定温度Tpuri未満であると判定した場合(ステップS73において「NO」)は、浄化触媒が活性しておらず浄化器16では燃焼排ガス中に含まれる可燃性ガスを除去することができない状態にある。When the oxidizing gas is supplied to the oxidizing
ところで、上記したように浄化器16は燃焼排ガスの熱により加熱される構成である。このため、例えば燃焼部3において着火器4により水素含有ガスが燃焼させられる状態以前では、浄化器温度は、所定温度Tpuri未満となっている。Incidentally, as described above, the
このように浄化器温度が所定温度Tpuri未満の場合、制御器8は着火器4を制御して燃料電池1から排出された排ガス(可燃性ガス)に着火させる(ステップS74)。逆に、燃焼部3において発生させられた燃焼排ガスの熱により浄化器16が加熱され浄化器温度が所定温度Tpuri以上となると、着火器4の動作を停止させ、浄化器16により可燃性ガスを浄化させる。As described above, when the purifier temperature is lower than the predetermined temperature T puri , the
以上のように、変形例3に係る燃料電池システム100では、浄化器温度が所定温度Tpuri未満で、浄化触媒が活性していない間は、制御器8は、燃焼部3において着火器4を制御して着火動作させて、可燃性ガスを燃焼させる。一方、浄化器16が加熱され、浄化器温度が所定温度Tpuri以上となると、この浄化器16により可燃性ガスを浄化させるように構成されている。このため、変形例3に係る燃料電池システム100では、浄化器16によって、燃焼部3よりも低温域で可燃性ガスの浄化を行うことができる。As described above, in the fuel cell system 100 according to the modified example 3, while the purifier temperature is lower than the predetermined temperature T puri and the purifying catalyst is not activated, the
したがって、変形例3に係る燃料電池システム100では、燃焼部3よりも低温域で可燃性ガスを浄化できる浄化器16と、燃焼部3による該可燃性ガスの燃焼とを組み合わせることで、可燃性ガスの浄化に必要な熱量を抑制することができる。それゆえ、燃焼部3だけで可燃性ガスの浄化を行う構成と比較して、燃料電池システム100の温度をより効率的に低下させることができる。
Therefore, in the fuel cell system 100 according to the third modification, the
[実施形態1の変形例4]
上記した実施形態1に係る燃料電池システム100では、図2に示すように水素含有ガスによる可燃性ガス流路11に対するパージ時間に基づき、水素含有ガスの供給および停止を行ったり、運転停止工程の終了を決定したりする構成であった。また、水素含有ガスを供給する際には、燃焼部3において燃料電池1から排出された水素含有ガスを、酸化剤ガス流路12に供給されている酸化剤ガスとともに火炎燃焼させる構成であった。[
In the fuel cell system 100 according to the first embodiment described above, as shown in FIG. 2, the hydrogen-containing gas is supplied and stopped based on the purge time for the combustible
このように水素含有ガスの供給を間欠的に行い可燃性ガス流路11に対するパージを行う構成の燃料電池システム100の場合、まったくパージを行わない構成の燃料電池システムと比較して燃料電池1が所定温度以下まで冷却されるのに必要な時間、換言すると運転停止工程に必要な時間が長くなる。そこで、実施形態1の変形例4に係る燃料電池システムでは、できるだけ運転停止工程に必要な時間を低減できるように、図1に示す構成を有した燃料電池システム100が、以下に示すように運転停止工程を実施する。
In the case of the fuel cell system 100 configured to intermittently supply the hydrogen-containing gas and purge the combustible
なお、変形例4に係る燃料電池システム100は、変形例2に係る燃料電池システム100と同様に、燃料電池温度の上昇または下降の温度幅に応じて水素含有ガスの供給および停止を制御する。このため、変形例4に係る燃料電池システム100は、変形例2に係る燃料電池システム100の一態様ともいえる。変形例4に係る燃料電池システム100では、運転停止工程に必要な時間を低減できるように、水素含有ガスの供給停止を決定する燃料電池1の温度上昇幅と、水素含有ガスの供給再開を決定する燃料電池1の温度下降幅との関係をさらに考慮した構成となっている。
Note that, similarly to the fuel cell system 100 according to Modification Example 2, the fuel cell system 100 according to Modification Example 4 controls the supply and stop of the hydrogen-containing gas in accordance with the temperature range of the increase or decrease in the fuel cell temperature. For this reason, it can be said that the fuel cell system 100 according to the
(変形例4に係る燃料電池システムの運転停止工程)
以下、図10、図11を参照して変形例4に係る燃料電池システム100の運転停止工程について説明する。図10は、本発明の実施形態1の変形例4に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、不図示の記憶部に記憶された制御プログラムを制御器8が読み出し、実行することにより実現されうる。(Operation stop process of fuel cell system according to Modification 4)
Hereinafter, the operation stop process of the fuel cell system 100 according to
また、図11は、図10に示すフローチャートに従って燃料電池システム100が動作した場合における各部の時系列変化の一例を示す図である。図11では、燃料電池1の温度変化、燃焼部3における着火/消火の状態変化、供給される酸化剤ガスおよび水素含有ガスの流量を時系列に対応づけて示している。また、水素含有ガスの流量変化を示すグラフにおいて、t=0で水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11におけるパージが開始される。また、単位時間あたりに供給される水素含有ガスの流量は説明の便宜上、一定流量(QF)とする。一方、単位時間あたりに供給される酸化剤ガス流量は説明の便宜上、一定流量(QO)とする。FIG. 11 is a diagram showing an example of a time-series change of each part when the fuel cell system 100 operates according to the flowchart shown in FIG. In FIG. 11, the temperature change of the
図10に示す運転停止工程のフローチャートは、ステップS94、S97、S99の処理のみ図2に示す運転停止工程のフローチャートと異なり、それ以外のステップ(ステップS90〜S93、ステップS95〜S96、S98、S100)は図2に示すステップS10〜S13、ステップS15〜S16、S18、S20と共通である。このため、以下では主としてステップS94、S97、S99について説明する。 The flowchart of the operation stop process shown in FIG. 10 differs from the operation stop process flowchart shown in FIG. 2 only in the processes of steps S94, S97, and S99, and other steps (steps S90 to S93, steps S95 to S96, S98, and S100). ) Is common to steps S10 to S13, steps S15 to S16, S18, and S20 shown in FIG. For this reason, below, step S94, S97, and S99 are mainly demonstrated.
ステップS93において着火器4により排ガスが着火されると、燃焼部3で発生した燃焼排ガスが燃焼排ガス流路13を流通するとともに、燃焼部3における燃焼に伴う熱により燃料電池1、改質器2等も加熱される。このため、燃料電池1の温度が図11に示すように徐々に上昇する。
When the exhaust gas is ignited by the
次のステップS94では、制御器8は、燃料電池1の燃料電池温度と所定温度(燃料電池温度TS2)との比較判定を行う。つまり、制御器8は、燃料電池スタックに設けられた燃料電池温度検知部T1によって検知された燃料電池温度に関する情報を受け付け、この燃料電池温度と予め設定された燃料電池温度TS2との大小関係を判定する。なお、燃料電池温度TS2は、運転停止工程の実施を終了させる目安となる温度であり例えば、約150℃とすることができる。すなわち、運転停止工程において燃料電池1のスタック温度が150℃以上の場合、水素含有ガスをアノード側に供給していないと、アノード側において下流部から酸化剤ガスが逆流し、酸化してしまう場合があるからである。In the next step S94, the
そこで、制御器8は、燃料電池温度が予め設定された燃料電池温度TS2(=150℃)以上であるか否か判定し(ステップS94)、150℃未満の場合は(ステップS94において「NO」)、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS95、S96)。Therefore, the
一方、ステップS94において「YES」の場合、制御器8は、ステップS94の判定時に検知した燃料電池温度を不図示のメモリに記録する。そして、制御器8は、メモリに記録した時点における燃料電池温度から上昇した温度が、所定の上昇温度TS-up以上か否か判定する(ステップS97)。ここで、所定の上昇温度TS-upは、例えば、図11に示すように1℃とすることができる。また、メモリに記録した時点における燃料電池温度とは、着火器4により排ガスに着火された時点における燃料電池温度とすることができる。On the other hand, if “YES” in the step S94, the
ステップS97において制御器8が、燃料電池上昇温度が上昇温度TS-up以上と判定した場合(ステップS97において「YES」)、水素含有ガスの可燃性ガス流路11への供給を停止させる(ステップS98)。このように、水素含有ガスの供給を停止すると燃焼部3における排ガスの火炎燃焼も停止することとなり、燃料電池システム100における燃料電池1、改質器2等の温度も低下する。また、制御器8は、水素含有ガスの供給を停止させた時点における燃料電池温度を不図示のメモリに記録する。そして、制御器8は燃料電池温度の変化を監視する。When the
次に、制御器8は、メモリに記録した燃料電池温度を参照して、水素含有ガスの供給を停止させた時点における燃料電池1の温度から下降した温度が、所定の下降温度TS-down以上か否か判定する(ステップS99)。ここで、制御器8が、燃料電池下降温度が下降温度TS-down以上と判定した場合(ステップS99において「YES」)、水素含有ガスの可燃性ガス流路11への供給を再開させる。さらに、制御器8は、水素含有ガスの供給を再開し、排ガスに着火した時点における燃料電池温度を不図示のメモリに記録する。Next, the
ここで、所定の下降温度TS-downをどのくらいの温度に設定するかによって燃料電池システム100における燃料電池1、改質器2等の温度低下の速度が決まってくる。つまり、下降温度TS-downの温度幅をできるだけ大きな値とすると、燃料電池1、改質器2等の温度低下にかかる時間は小さくなるが、水素含有ガスの供給を停止する期間が長くなり燃料電池1のアノード側において下流部から酸化剤ガスが逆流し、アノードが酸化してしまう場合がある。そこで、下降温度TS-downは、燃料電池1のアノードの酸化が生じない範囲で、できるだけ大きな温度とするように設定される。例えば、変形例4に係る燃料電池システム100では、図11に示すように、下降温度TS-downを10℃とすることができる。Here, the speed of temperature decrease of the
以上のように燃料電池温度が下降温度TS-down以上、低下するごとに、上昇温度TS-up以上、上昇するまで水素含有ガスによるパージを実施する構成とすることで、燃料電池システム100を効率よく冷却させつつ、可燃性ガス流路11における水素含有ガスによるパージによってアノードの酸化を防止することができる。特に、下降温度TS-downと上昇温度TS-upとのそれぞれの温度幅の関係を適切に設定させることで、燃料電池システム100の冷却速度を所望の速度に調整することができる。Above the fuel cell temperature is lowered the temperature T S-down above, each time decreases, increasing the temperature T S-Stay up-above, by the structure for implementing the purge with a hydrogen-containing gas to rise, the fuel cell system 100 The anode can be prevented from being oxidized by purging with the hydrogen-containing gas in the
なお、図10に示す運転停止工程では、燃料電池システム100は、燃料電池温度の温度変化に基づき水素含有ガスの供給停止および再開を決定していたがこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池温度と連動して温度変化する改質器温度の温度変化に基づき水素含有ガスの供給停止および再開を決定してもよい。このように変形例4に係る燃料電池システム100を、改質器温度の温度変化に基づき水素が有ガスの供給停止および再開を決定する構成とする場合、制御器8は以下のように図10に示すステップS94、S97、S99を実施する。
In the operation stop process shown in FIG. 10, the fuel cell system 100 has decided to stop and restart the supply of the hydrogen-containing gas based on the temperature change of the fuel cell temperature, but the present invention is not limited to this. For example, the supply stop and restart of the hydrogen-containing gas may be determined based on the temperature change of the reformer temperature that changes in conjunction with the fuel cell temperature. As described above, when the fuel cell system 100 according to the modified example 4 is configured so that the supply of hydrogen is stopped and restarted based on the temperature change of the reformer temperature, the
すなわち、ステップS93において着火器4により排ガスが着火されると、燃焼部3で発生した燃焼排ガスが燃焼排ガス流路13を流通するとともに、燃焼部3における燃焼に伴う熱により燃料電池1、改質器2等も加熱される。このため、燃料電池1の温度と連動して改質器2の温度も徐々に上昇する。
That is, when the exhaust gas is ignited by the
次にステップS94では、制御器8は、改質器温度と所定温度(改質器温度TR2)との比較判定を行う。つまり、制御器8は、改質器2に設けられた改質器温度検知部T2によって検知された改質器温度に関する情報を受け付け、この改質器温度と予め設定された改質器温度TR2との大小関係を判定する。Next, in step S94, the
なお、燃料電池システム100では改質器2は燃料電池1と同様に燃焼部3における火炎燃焼の熱により加熱される構成である。そのため、改質器温度と燃料電池温度とは同様な温度となるため、改質器温度TR2は、燃料電池温度TS2と同様に、例えば、約150℃とすることができる。In the fuel cell system 100, the
そして、制御器8は、改質器温度が予め設定された改質器温度TR2(=150℃)以上であるか否か判定し、150℃未満の場合は、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS95、S96)。Then, the
一方、制御器8が、改質器温度が改質器温度TR2(約150℃)以上であると判定した場合、この判定時に検知した改質器温度を不図示のメモリに記録する。そして、制御器8は、メモリに記録した時点における改質器温度から上昇した温度が、所定の上昇温度TR-up以上か否か判定する。ここで、所定の上昇温度TR-upは、上昇温度TS-upと同様に例えば1℃とすることができる。あるいは、上昇温度TR-upは、改質器2の方が燃料電池1よりも温度変化に対する応答性が高いため、1℃よりも大きい温度としてもよい。On the other hand, when the
そして、制御器8が、改質器上昇温度が上昇温度TR-up以上と判定すると、水素含有ガスの可燃性ガス流路11への供給を停止させる。このように水素含有ガスの供給を停止すると、燃焼部3における排ガスの火炎燃焼も停止することとなり、燃料電池システム100における燃料電池1、改質器2等の温度も低下する。そこで、制御器8は、水素含有ガスの供給を停止させた時点における改質器温度を不図示のメモリに記録し、改質器温度の変化を監視する。When the
次に、制御器8は、メモリに記録した燃料電池温度を参照して、水素含有ガスの供給を停止させた時点における改質器2の温度から下降した温度が、所定の下降温度TR-down以上か否か判定する。ここで、制御器8が、改質器下降温度が下降温度TR-down以上と判定した場合、水素含有ガスの可燃性ガス流路11への供給を再開させる。さらに、制御器8は、水素含有ガスの供給を再開し、排ガスに着火した時点における改質器温度を不図示のメモリに記録する。なお、改質器2の下降温度TR-downは、燃料電池1のアノードの酸化が生じない範囲で、できるだけ大きな温度とするように設定されており、例えば、燃料電池1の下降温度TS-downと同様に約10℃とすることができる。あるいは、下降温度TR-downは、改質器2の方が燃料電池1よりも温度変化に対する応答性が高いため、10℃よりも大きい温度としてもよい。Next, the
以上のように改質器温度が下降温度TR-down以上、低下するごとに、上昇温度TR-up以上上昇するまで水素含有ガスによるパージを実施する構成とすることで、燃料電池システム100を効率よく冷却させつつ、可燃性ガス流路11における水素含有ガスによるパージによってアノードの酸化を防止することができる。As described above, every time the reformer temperature decreases by the lowering temperature T R-down or more, the purge with the hydrogen-containing gas is performed until the temperature rises by the rising temperature T R-up or more. The anode can be prevented from being oxidized by purging with the hydrogen-containing gas in the
変形例4に係る燃料電池システム100では、燃料電池1または改質器2の温度低下を考慮し、間欠的に行う水素含有ガスによるパージのタイミングを決定する構成であったが、別の要素を考慮し、間欠的に行う水素含有ガスによるパージのタイミングを決定することもできる。以下において、可燃性ガス流路11における圧力の変化を考慮して間欠的に水素含有ガスによるパージを行う構成を変形例5とし、燃料電池1における電圧の変化を考慮して間欠的に水素含有ガスによるパージを行う構成を変形例6として説明する。
In the fuel cell system 100 according to the modified example 4, the temperature of the
[実施形態1の変形例5]
図12〜14を参照して本発明の実施形態1の変形例5に係る燃料電池システム100について説明する。図12は、本発明の実施形態1の変形例5に係る燃料電池システム100の概略構成の一例を示すブロック図である。図13は、本発明の実施形態1の変形例5に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。図14は、図13に示すフローチャートに従って燃料電池システム100が動作した場合における各部の時系列変化の一例を示す図である。図14では、可燃性ガス流路11における圧力変化、燃焼部3における着火/消火の状態変化、供給される水素含有ガス流量を時系列に対応づけて示している。また、水素含有ガス流量の流量変化を示すグラフにおいて、t=0で水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11におけるパージが開始される。また、単位時間あたりに供給される水素含有ガス流量は説明の便宜上、一定流量(QF)とする。また、この水素含有ガスの供給に応じて変化する可燃性ガス流路11の圧力を説明の便宜上、一定の圧力(N)とする。[
A fuel cell system 100 according to
(変形例5に係る燃料電池システムの構成)
図12に示すように変形例5に係る燃料電池システム100は図1に示す燃料電池システム100の構成においてさらに可燃性ガス流路11の圧力を検知する圧力センサPを備えた構成となっている。それ以外の部材は図1に示す燃料電池システム100の構成と同様となるため、同一部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。(Configuration of fuel cell system according to Modification 5)
As shown in FIG. 12, the fuel cell system 100 according to the modified example 5 is configured to further include a pressure sensor P that detects the pressure of the
圧力センサPは可燃性ガス流路11における改質器2の上流側に設けられ、可燃性ガス流路11内の圧力を検知する。圧力センサPは、発電原料の供給に伴う可燃性ガス流路11の圧力変化を検知しており、この圧力変化を可燃性ガス流路11の圧力変化とみなしている。可燃性ガス流路11における圧力変化は、図14に示すように水素含有ガスの供給量、換言すると発電原料の供給量に比例する。
The pressure sensor P is provided on the upstream side of the
(変形例5に係る燃料電池システムにおける運転停止工程)
上記した構成を有する変形例5に係る燃料電池システムの運転停止工程について図13を参照して説明する。(Operation stop process in fuel cell system according to Modification 5)
An operation stop process of the fuel cell system according to
図13に示す運転停止工程のフローチャートは、ステップS117、S119の処理のみ図10に示す運転停止工程のフローチャートと異なり、それ以外のステップ(ステップS110〜S116、S118、S120)は図10に示すステップS90〜S96、S98、S100と共通である。このため、以下では主としてステップS117、S119について説明する。 The operation stop process shown in FIG. 13 is different from the operation stop process shown in FIG. 10 only in steps S117 and S119, and other steps (steps S110 to S116, S118, and S120) are steps shown in FIG. Common to S90 to S96, S98, and S100. For this reason, steps S117 and S119 will be mainly described below.
ステップS113において着火器4により排ガスが着火されると、燃焼部3で発生した燃焼排ガスが燃焼排ガス流路13を流通するとともに、燃焼部3における燃焼に伴う熱により燃料電池1、改質器2等も加熱される。そして、次のステップS114において制御器8は、燃料電池スタックに設けられた燃料電池温度検知部T1によって検知された燃料電池温度に関する情報を受け付け、この燃料電池温度と予め設定された燃料電池温度TS2との大小関係を判定する。なお、燃料電池温度TS2は、運転停止工程の実施を終了させる目安となる温度であり例えば、約150℃とすることができる。制御器8は、燃料電池温度が予め設定された燃料電池温度TS2(=150℃)以上であるか否か判定し、150℃未満の場合は(ステップS114において「NO」)、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS115、S116)。When the exhaust gas is ignited by the
一方、ステップS114において「YES」の場合、制御器8は、圧力センサPから可燃性ガス流路11の圧力に関する情報を受け付け、所定圧力Nとの大小関係を判定する。なお、所定圧力Nは、単位時間あたり流量Q(F)の水素含有ガスが流通するときにおける可燃性ガス流路11の圧力もしくはその近傍の圧力である。さらに、制御器8は、不図示の計時器で計測された時間に基づき、水素含有ガスによるパージ時間tonとあらかじめ設定されたパージ時間tpre-onとの大小関係を判定する。On the other hand, if “YES” in step S <b> 114, the
そして、制御器8が、可燃性ガス流路11における圧力が所定圧力N以上でかつ、水素含有ガスによるパージ時間tonがあらかじめ設定されたパージ時間tpre-on以上となると判定した場合、(ステップS117において「YES」)、発電原料と改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止させることで、水素含有ガスの供給を停止させる(ステップS118)。When the
ステップS118で水素含有ガスの供給を停止させた後、制御器8は、圧力センサPから可燃性ガス流路11の圧力に関する情報を受け付け、大気圧との大小関係を判定する。さらに制御器8は、水素含有ガスの供給停止時間Toffと所定時間(設定供給停止時間tpre-off)との比較判定を行う(ステップS119)。そして、制御器8が、可燃性ガス流路11における圧力が大気圧以下でかつ、水素含有ガスの供給停止時間toffが設定供給停止時間tpre-off以上となると判定した場合(ステップS119において「YES」)、水素含有ガスの供給を再開する(ステップS120)。なお、ステップS119では可燃性ガス流路11の圧力と大気圧との大小関係を判定する構成であるが、大気圧よりもやや高い所定の圧力と可燃性ガス流路11の圧力とを比較する構成であってもよい。すなわち、可燃性ガス流路11内が負圧にならないように監視できる構成であればよい。After stopping the supply of the hydrogen-containing gas in step S118, the
ここで、水素含有ガスによるパージ時間tonとパージ時間tpre-onとの大小関係の判定、ならびに水素含有ガスの供給停止時間toffと設定供給停止時間tpre-offとの大小関係の判定に加えて、可燃性ガス流路11の圧力と所定圧力Nとの大小関係の判定、ならびに可燃性ガス流路11の圧力と大気圧との大小関係の判定を行うのは下記の理由からである。Here, the determination of the magnitude relationship between the purge time t on and the purge time t pre-on by the hydrogen-containing gas, and the judgment of the magnitude relationship between the supply stop time t off of the hydrogen-containing gas and the set supply stop time t pre-off. In addition, the determination of the magnitude relationship between the pressure of the
燃料電池システム100の運転停止工程において、まず、ステップS109の運転停止動作を開始することで燃料電池1における発電が停止させられ、燃料電池1および改質器2等の温度が低下する。この温度低下に伴い可燃性ガス流路11中の残留ガスが収縮することで圧力低下する。さらには、可燃性ガス流路11中の残留ガス中に含まれる水蒸気が露点に達し凝縮することで可燃性ガス流路11内の圧力が低下してしまう。これにより可燃性ガス流路11の圧力が負圧になると外部から空気が流入しアノード側が酸化してしまう。そこで、変形例5に係る燃料電池システム100では、アノードの酸化を防止するために、可燃性ガス流路11内が大気圧以下になると減った圧力を補うために水素含有ガスの供給を行い、可燃性ガス流路11が負圧にならないようにする。逆に、パージ時間tonが予め設定されたパージ時間tpre-on以上でかつ、可燃性ガス流路11における圧力が所定圧力N以上、すなわち、負圧となっていない場合は、水素含有ガスの供給を停止させることができる。In the operation stop process of the fuel cell system 100, first, the power generation in the
[実施形態1の変形例6]
図15〜17を参照して本発明の実施形態1の変形例6に係る燃料電池システム100について説明する。図15は、本発明の実施形態1の変形例6に係る燃料電池システム100の概略構成の一例を示すブロック図である。図16は、本発明の実施形態1の変形例6に係る燃料電池システム100の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。図17は、図16に示すフローチャートに従って燃料電池システム100が動作した場合における各部の時系列変化の一例を示す図である。図17では、燃料電池1の単セル平均電圧の変化、燃焼部3における着火/消火の状態変化、供給される酸化剤ガスおよび水素含有ガスの流量を時系列に対応づけて示している。また、水素含有ガスの流量変化を示すグラフにおいて、t=0で水素含有ガスを利用した可燃性ガス流路11におけるパージが開始される。また、単位時間あたりに供給される水素含有ガスの流量は説明の便宜上、一定流量(QF)とする。[
A fuel cell system 100 according to
(変形例6に係る燃料電池システムの構成)
図15に示すように変形例6に係る燃料電池システム100は図1に示す燃料電池システム100の構成においてさらに燃料電池1の電圧を検知する電圧検知器Vを備えた構成となっている。それ以外の部材は図1に示す燃料電池システム100の構成と同様となるため、同一部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。(Configuration of fuel cell system according to Modification 6)
As shown in FIG. 15, the fuel cell system 100 according to the modified example 6 has a configuration further including a voltage detector V that detects the voltage of the
電圧検知器Vは燃料電池1の電圧を検知する。具体的には、電圧検知器Vは、燃料電池1の電圧として、燃料電池1のセルスタックにおける所定の単セルの電圧の平均値を検知する。
The voltage detector V detects the voltage of the
ところで、運転停止工程において、図16に示すステップS129の運転停止動作が開始されると、燃料電池1における発電は停止させられる。このため、運転停止動作が開始された後は、発電に伴う電圧変化を電圧検知器Vは検知することはない。しかしながら、運転停止後に燃料電池1および改質器2等の温度が低下すると、上記したように可燃性ガス流路11の圧力が低下し空気がアノードに流入する場合がある。このような場合、燃料電池1の単セルにおいて電圧低下を引き起こす。つまり、燃料電池1の単セルにおける電圧変化を、アノードへの空気の流入の有無を判定する指針とすることができる。
Incidentally, in the operation stop process, when the operation stop operation of step S129 shown in FIG. 16 is started, the power generation in the
そこで、変形例6に係る燃料電池システム100では、燃料電池1の電圧が低下すると水素含有ガスを供給させることでアノード側における空気の流入を防ぐことができる。
Therefore, in the fuel cell system 100 according to the modified example 6, when the voltage of the
(変形例6に係る燃料電池システムにおける運転停止工程)
上記した構成を有する変形例6に係る燃料電池システム100の運転停止工程について図16を参照して説明する。(Operation stop process in fuel cell system according to Modification 6)
An operation stop process of the fuel cell system 100 according to
図16に示す運転停止工程のフローチャートは、ステップS137、S139の処理のみ図10に示す運転停止工程のフローチャートと異なり、それ以外のステップ(ステップS130〜S136、S138、S140)は図10に示すステップS90〜S96、S98、S100と共通である。このため、以下では主としてステップS137、S139について説明する。 The operation stop process shown in FIG. 16 is different from the operation stop process shown in FIG. 10 only in steps S137 and S139, and the other steps (steps S130 to S136, S138, and S140) are the steps shown in FIG. Common to S90 to S96, S98, and S100. For this reason, steps S137 and S139 will be mainly described below.
ステップS133において着火器4により排ガスが着火されると、燃焼部3で発生した燃焼排ガスが燃焼排ガス流路13を流通するとともに、燃焼部3における火炎燃焼に伴う熱により燃料電池1、改質器2等も加熱される。そして、次のステップS134において制御器8は、燃料電池温度検知部T1から燃料電池温度に関する情報を受け付け、この燃料電池温度と予め設定された燃料電池温度TS2との大小関係を判定する。なお、燃料電池温度TS2は、運転停止工程の実施を終了させる目安となる温度であり例えば、約150℃とすることができる。制御器8は、燃料電池温度が予め設定された燃料電池温度TS2(=150℃)以上であるか否か判定し、150℃未満の場合は(ステップS134において「NO」)、水素含有ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS135、S136)。When the exhaust gas is ignited by the
一方、ステップS134において「YES」の場合、制御器8は、電圧検知器Vから燃料電池1の電圧に関する情報を受け付け、所定電圧V1との大小関係を判定する。なお、所定電圧V1は、可燃性ガス流路11に燃焼排ガス流路13を通じて外部から空気が流入していない状態時の燃料電池1の電圧であり、例えば、0.75Vとすることができる。On the other hand, if "YES" in step S134, the
そして、制御器8が、燃料電池1の電圧が所定電圧V1以上となると判定した場合、(ステップS134において「YES」)、発電原料と改質用材料(水および空気の少なくともいずれか一方)の供給を停止させることで、水素含有ガスの供給を停止させる(ステップS138)。When the
ステップS138で水素含有ガスの供給を停止させた後、制御器8は、電圧検知器Vから燃料電池1の電圧に関する情報を受け付け、所定電圧V2との大小関係を判定する(ステップS139)。そして、制御器8が、燃料電池1の電圧が所定電圧V2以下となると判定した場合(ステップS139において「YES」)、水素含有ガスの供給を再開する(ステップS140)。なお、所定電圧V2は可燃性ガス流路11に燃焼排ガス流路13を通じて外部から空気が流入した状態、すなわち可燃性ガス流路11が負圧になった時における燃料電池1の電圧であり、例えば、0.65Vとすることができる。After stopping the supply of hydrogen-containing gas at step S138, the
なお、変形例4〜6はそれぞれ燃料電池温度の変化、可燃性ガス流路11の圧力変化、あるいは燃料電池1の電圧変化を考慮し、水素含有ガスの供給停止および供給再開を判定する構成であった。しかしながら、これらの構成に限定されるものではなく、燃料電池温度の変化、可燃性ガス流路11の圧力変化、あるいは燃料電池1の電圧変化を考慮した後、さらに燃料電池温度、改質器温度、または脱硫器温度と所定温度との大小関係を判定し、水素含有ガスの供給停止および供給再開を判定する構成としてもよい。
[実施形態2]
(燃料電池システムの構成)
まず、図18を参照して本発明の実施形態2に係る燃料電池システム200の構成について説明する。図18は、本発明の実施形態2に係る燃料電池システム200の概略構成の一例を示すブロック図である。なお、燃料電池システム200は燃料電池201として固体酸化物形燃料電池を備える構成を例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。[Embodiment 2]
(Configuration of fuel cell system)
First, the configuration of the fuel cell system 200 according to
図18に示すように、燃料電池システム200は、燃料電池201と、改質器202と、蒸発器203と、加熱器204と、発電原料供給器205と、酸化剤ガス供給器206と、記憶装置207と、制御器208と、改質用材料供給器として改質水供給器209と、燃焼部210と、を備えてなる構成である。燃料電池システム200では、各部を連結する流路として、可燃性ガス流路211と、酸化剤ガス流路212と、改質水流路213とが設けられている。
As shown in FIG. 18, the fuel cell system 200 includes a
発電原料供給器205は、改質器202に発電原料を供給するものであり、改質器202へ供給する発電原料の流量を調整可能に構成されていてもよい。発電原料供給器205は、実施形態1に係る燃料電池システム100が備える発電原料供給器5と同様な構成のため、詳細な説明は省略する。
The power generation
酸化剤ガス供給器206は、燃料電池201のカソード221に酸化剤ガスを供給するものであり、燃料電池201のカソード221へ供給する酸化剤ガスの流量を調整可能に構成されていてもよい。酸化剤ガス供給器206は、実施形態1に係る燃料電池システム100が備える酸化剤ガス供給器6と同様な構成のため、詳細な説明は省略する。
The oxidant
改質水供給器209は、改質器202に対して改質反応に用いる水(水蒸気)を供給するものであり、改質器202へ供給する水(水蒸気)の流量を調整可能に構成されていてもよい。なお、改質水供給器209は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。改質水供給器209により供給された改質水は、蒸発器203により気化され、改質水流路213および可燃性ガス流路211を通じて改質器202に送出される。
The reforming
可燃性ガス流路211は、発電原料供給器205から改質器202を介して、燃料電池201のアノード220に至る流路であり、可燃性ガスである発電原料または水素含有ガスが流通する。図18に示すように、可燃性ガス流路211は、発電原料供給器205から、燃料電池201におけるアノード220の下流端に至るまでの区間に相当する。すなわち、可燃性ガス流路211は、発電原料を発電原料供給器205から改質器202に導くための流路と、改質器202で発電原料が改質され生成された水素含有ガスを、燃料電池201に導くための流路とを足し合わせた流路である。
The combustible
酸化剤ガス流路212は、酸化剤ガス供給器206から、燃料電池201のカソード221に至る流路であり、酸化剤ガスが流通する。酸化剤ガス流路212は、図18に示すように、酸化剤ガス供給器206から、燃料電池201のカソード221の下流端に至るまでの区間に相当する。
The oxidant
改質水流路213は、改質水供給器209から、可燃性ガス流路211における改質器202の上流側の合流部(不図示)に至る流路であり、この合流部で可燃性ガス流路211と接続されている。改質水流路213では、改質器202で実施する改質反応で利用する水(水蒸気)が流通する。
The reformed
燃料電池201は、可燃性ガス流路211を通じて改質器202から供給された水素含有ガス(改質ガス)と、酸化剤ガス流路212を通じて供給された酸化剤ガスとを利用して、発電反応により発電を行う、例えば、固体酸化物形燃料電池を例示することができる。燃料電池201では、水素含有ガスが供給されるアノード220および酸化剤ガスが供給されるカソード221を有し、該アノード220と該カソード221との間で発電反応を行って発電する燃料電池単セルを複数枚、直列に接続してセルスタックを形成している。なお、燃料電池201は、実施形態1に係る燃料電池システム100が備える燃料電池1と同様な構成であるため詳細な説明は省略する。
The
図18で示すように、燃料電池201の後段に燃焼部210が設けられ、この燃焼部210において、燃料電池201の発電に未利用の水素含有ガスと酸化剤ガスとが火炎燃焼されるように構成されている。そして、この火炎燃焼により、燃料電池201および改質器202等で必要となる熱を発生させるとともに、生成された燃焼排ガスが不図示の燃焼排ガス流路を通じて系外に放出されるように構成されている。この燃焼排ガスは系外に放出される前に、例えば、燃焼排ガス流路214の途中に熱交換器を設けて、カソード221に送られる酸化剤ガスとの熱交換により、該酸化剤ガスを昇温する構成としてもよい。このように構成することで、燃料電池システム200は、よりエネルギー利用率の高い運転が可能になる。
As shown in FIG. 18, a
また、詳細は後述するが、燃料電池システム200では、運転停止工程においてに発電原料を改質した水素含有ガスを用いて可燃性ガス流路211をパージし、酸化剤ガスを用いて酸化剤ガス流路212をそれぞれパージする構成となっている。そのため、運転停止工程においてパージを行っている場合、燃料電池201のアノード220側から水素含有ガスが、燃料電池201のカソード221側からは酸化剤ガスがそれぞれ燃焼部210に導かれることとなる。そして、この燃焼部210において、水素含有ガスに着火し、酸化剤ガスとともに火炎燃焼させる構成としてもよい。
As will be described in detail later, in the fuel cell system 200, the
改質器202は、発電原料と改質用の水(水蒸気)を用いて、改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器202で実施する改質反応としては、水蒸気改質反応などが例示される。
The
また、燃料電池システム200では、改質反応として水蒸気改質反応を実行するにあたり、水蒸気を生成する蒸発器203と、蒸発器203を所定温度に加温するための加熱器204とを備える。
In addition, the fuel cell system 200 includes an
加熱器204は、燃料電池システム200の起動開始時においては蒸発器203を所定温度範囲となるまで加熱する。また、加熱器204は、運転停止工程においては蒸発器203の温度が所定温度以下となった場合、蒸発器203を加熱する。加熱器204は、例えば電熱ヒータを利用することができる。
The
なお、蒸発器203は、上述した起動開始時および運転停止工程実施時のみならず、燃料電池システム200の定常運転中においても、加熱器204により加熱され所定温度範囲に保たれる構成であってもよい。あるいは、燃料電池システム200の定常運転中では、加熱器204を起動させず、燃焼部210にて生成された燃焼排ガスの有する熱により蒸発器203が所定温度範囲に保たれる構成としてもよい。
Note that the
燃料電池システム200に供給される発電原料は、燃料電池システム100に供給される発電原料と同様なものが例示できる。 Examples of the power generation material supplied to the fuel cell system 200 are the same as the power generation material supplied to the fuel cell system 100.
制御器208は、燃料電池システム200の各部の各種動作を制御するものである。例えば、制御器208は、燃料電池システム200の運転停止工程において燃料電池201の発電停止後に、発電原料供給器205を制御して発電原料を可燃性ガス流路211に補給し、かつ該発電原料の補給に伴い、改質水供給器209および蒸発器203を制御して水蒸気を可燃性ガス流路211に流入させ、改質器202において水素含有ガスを生成させる。その一方で、制御器208は、酸化剤ガス供給器206を制御して酸化剤ガス流路212に酸化剤ガスを供給させる。なお、燃料電池201の後段に設けられた燃焼部210において可燃性ガス流路211と酸化剤ガス流路212とが合流する構成となっている。このため、制御器208は、可燃性ガス流路211を流通した水素含有ガスが酸化剤ガス流路212内に流入し、カソード221が還元劣化することを防ぐように酸化剤ガスの供給を行えばよく、発電原料が供給される期間と酸化剤ガスが供給される期間とが必ずしも一致する必要がない。
The
さらにまた、制御器208は、運転停止工程において燃料電池201の発電を停止させた時からの経過時間または運転停止の操作指示を示す信号を受け付けてからの経過時間、あるいは燃料電池201の温度、改質器202の温度または蒸発器203の温度等に応じて、加熱器204の起動を制御する。そして、制御器208は、加熱器204を起動させることで蒸発器203の温度を昇温させ、水を気化させることができる温度範囲となるようにする。
Furthermore, the
すなわち、制御器208は不図示の計時部を備えており、該計時部により計測された時間情報を受け付け、燃料電池201の発電を停止させた時からの経過時間、または運転停止の操作指示を示す信号を受け付けてからの経過時間を把握することができる。また、燃料電池201には温度検知部として燃料電池温度検知器T10が、改質器202には温度検知部として改質器温度検知器T20が、蒸発器203には温度検知部として蒸発器温度検知器T30がそれぞれ設けられており、これらから温度情報をそれぞれ受け付けることで、制御器208は、燃料電池201、改質器202、および蒸発器203の温度をそれぞれ把握することができる。なお、燃料電池温度検知器T10、改質器温度検知器T20、および蒸発器温度検知器T30は、熱電対またはサーミスタ等で構成することができる。また、本発明の実施形態2では制御器208は、温度検知部として、燃料電池温度検知器T10、改質器温度検知器T20、および蒸発器温度検知器T30をそれぞれ備える構成であるが、これらのうち少なくとも1つを備え、制御器208が温度情報を受け付ける構成であってもよい。
That is, the
制御器208は、制御機能を有するものであればよく、実施形態1に係る制御器8と同様な構成とすることができる。
The
記憶装置207は、演算処理部により実行する制御プログラム(図示せず)と、予め実験等により調べてある燃料電池201、改質器202、および蒸発器203の温度それぞれの温度変化を対応づけたテーブル230とを記憶する。このテーブル230には、燃料電池201、改質器202、および蒸発器203それぞれの温度の変動範囲において設定されている後述する所定温度も記録されている。
The
(燃料電池システムの運転停止工程)
次に、本発明の実施形態2に係る燃料電池システム200の運転停止工程の具体例について、図19、20を参照して説明する。図19、20は、本発明の実施形態2に係る燃料電池システム200の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、記憶装置207に記憶された不図示の制御プログラムを制御器208が読み出し、実行することにより実現されうる。(Fuel cell system shutdown process)
Next, a specific example of the operation stop process of the fuel cell system 200 according to
まず、運転停止工程では運転停止操作が開始される(ステップS210)。運転停止操作の開始により、燃料電池システム200では、制御器208が発電原料供給器205、改質水供給器209、および燃料電池201を制御し、発電原料および改質水の供給を停止させるとともに、燃料電池201の発電を停止させる。すなわち、制御器208は運転停止操作の指示を不図示の入力装置等を介して操作者等から受け付けるあるいは、所定条件に基づき運転停止と判断すると、発電原料供給器205を制御して発電原料の可燃性ガス流路211への供給を停止させ、改質水供給器209を制御して改質水の蒸発器203への供給を停止させる。しかしながら制御器208は、酸化剤ガスの酸化剤ガス流路212への供給をしばらくの間(例えば5分間)継続させる(ステップS211)。そして、制御器208は、酸化剤ガスの供給時間が、運転停止操作を開始してから所定時間t1以上、経過したか否か判定し(ステップS212)、所定時間t1以上経過したと判定すると(ステップS212において「YES」)、酸化剤ガス供給器206を制御して酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS213)。First, in the operation stop process, an operation to stop operation is started (step S210). In the fuel cell system 200, the
このように、燃料電池システム200では、ステップS210で運転停止操作が開始されてから所定時間t1経過するまで酸化剤ガスの供給を継続させている。これは、以下の理由による。すなわち、ステップS210の運転停止操作の開始直後では、すでに供給されている改質水(水蒸気)が改質水流路に残留している。このため、運転停止操作ステップの開始直後では改質器202において水素含有ガスが生成され燃料電池201に供給されてしまう。つまり、運転停止直前の発電原料の供給と改質水(水蒸気)の供給に伴い、運転停止指示後しばらくの間は改質器202にて水素含有ガスが生成されてしまう。ここで、運転停止工程は可燃性ガス流路211の方が酸化剤ガス流路212よりも圧力が大きくなるため、この生成された水素含有ガスが燃料電池201の後段に設けられた燃焼部210を経由して燃料電池201のカソード221側に流れ込む場合がある。この水素含有ガスのカソード221側への流入を防ぐため、燃料電池システム200では、運転停止操作を開始してから所定時間t1経過するまでは、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路212に供給させるように構成している。なお、この所定時間t1は、運転停止操作が開始されてから水素含有ガスが燃料電池201のカソード221側に流入することがなくなる時間、つまり、運転停止操作後に改質器202において水素含有ガスが生成されなくなるまでの時間として定めることができる。Thus, in the fuel cell system 200, thereby continuing the supply of the oxidizing gas from the shutdown operation is initiated at step S210 until a predetermined time t 1 has elapsed. This is due to the following reason. In other words, immediately after the start of the operation stop operation in step S210, the already supplied reforming water (steam) remains in the reforming water flow path. For this reason, immediately after the start of the operation stop operation step, the hydrogen-containing gas is generated in the
次に制御器208は、燃料電池温度検知器T10によって検知された燃料電池温度と所定温度Ts1との大小関係を判定する。または、制御器208は、改質器温度検知器T20によって検知された改質器温度と所定温度Tr1との大小関係を判定する。または、制御器208は、蒸発器温度検知器T30によって検知された蒸発器温度と所定温度Te1との大小関係を判定する(ステップS214)。すなわち、制御器208は、燃料電池温度、改質器温度、および蒸発器温度のうちの少なくとも1つと所定温度との大小関係を判定する。Next, the
ここで、燃料電池201および改質器202は、燃料電池201の後段に設けられた燃焼部210における可燃性ガスの燃焼により生じた熱により加熱される構成となっている。このため、燃料電池201と改質器202との両者の温度は連動して変化する。また、蒸発器203は、定常運転中には燃焼部210で生成された燃焼排ガスの有する熱により加熱され、運転停止操作の開始後は上述した燃料電池201および改質器202と同様に温度低下するようになっている。すなわち、運転停止操作の開始後において燃料電池201、改質器202、及び蒸発器203それぞれの温度変化は連動したものとなっている。
Here, the
そこで、本発明の実施形態2に係る燃料電池システム200では、記憶装置207に、燃料電池温度、改質器温度、および蒸発器温度それぞれの温度変化を対応づけたテーブル230が記憶されている。そして、制御器208はこのテーブル230を参照することで、燃料電池温度、改質器温度、および蒸発器温度のうちの1つを把握することで、残りの温度も把握することができる。
Therefore, in the fuel cell system 200 according to
なお、燃料電池温度とは、燃料電池201を構成する任意の単セルの温度であるがこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池201を流通する可燃性ガスまたは酸化剤ガスの温度としてもよい。また、所定温度Ts1とは、燃料電池システム200の運転停止工程スタート後、すぐの燃料電池201の温度であってもよいし、運転停止工程スタートから所定時間経過後の燃料電池201の温度であってもよく、例えば、480℃とすることができる。The fuel cell temperature is the temperature of an arbitrary single cell constituting the
改質器温度とは、改質器202に充填された改質触媒の温度であり、所定温度Tr1は、例えば480℃とすることができる。つまり、運転停止工程中では、燃料電池201と改質器202との温度はほぼ同じ温度となる。また、蒸発器温度とは、蒸発器203における所定位置の温度であり、所定温度Te1は、例えば180℃とすることができる。The reformer temperature is the temperature of the reforming catalyst charged in the
ここで、運転停止操作開始後、上記したように燃料電池温度、改質器温度、および蒸発器温度は、それぞれ連動して変化する。このため、ステップS214では、制御器208は、燃料電池温度が所定温度Ts1以下であるのか、改質器温度が所定温度Tr1以下であるのか、ならびに蒸発器温度が所定温度Te1以下であるのかに関する判定のうち、少なくとも1つがこの判定条件を満たす場合(ステップS214において、「YES」)、制御器208は、酸化剤ガス供給器206を制御して酸化剤ガスの酸化剤ガス流路212への供給を開始する(ステップS215)。次いで、制御器208は、改質水供給器209を制御して改質水の改質水流路213への供給を開始する(ステップS216)とともに発電原料供給器205を制御して可燃性ガス流路211への発電原料の供給を開始する(ステップS217)。Here, after the start of the shutdown operation, as described above, the fuel cell temperature, the reformer temperature, and the evaporator temperature change in conjunction with each other. Therefore, in step S214, the
このように、本実施の形態に係る燃料電池システム200では、酸化剤ガスの供給により酸化剤ガス流路212をパージし、発電原料および改質水(水蒸気)が供給されることで、改質器202で生成された水素含有ガスにより可燃性ガス流路211のパージを行う。
As described above, in the fuel cell system 200 according to the present embodiment, the oxidant
その後、時間経過とともに、燃料電池システム200の各部(例えば、燃料電池201、改質器202、蒸発器203等)の温度が低下していくと、蒸発器203において改質水を気化させることが困難となってくる。蒸発器203で改質水の気化が困難になってくると、改質器202で生成された水素含有ガス中の水素濃度が低下し、燃焼部210における水素含有ガスの燃焼が困難となっていく。
Thereafter, as the temperature of each part of the fuel cell system 200 (for example, the
そこで、制御器208は、燃料電池温度検知器T10で検知された燃料電池温度、改質器温度検知器T20で検知された改質器温度、ならびに蒸発器温度検知器T30で検知された蒸発器温度のうち少なくとも1つを受け付け、温度変化を監視する。そして、制御器208は、燃料電池温度と所定温度Ts2との大小関係を判定する。または、制御器208は、改質器温度と所定温度Tr2との大小関係を判定する。あるいは制御器208は、蒸発器温度と所定温度Te2との大小関係を判定する(ステップS218)。ここで、制御器208は、燃料電池温度が所定温度Ts2以下であるのか、改質器温度が所定温度Tr2以下であるのか、もしくは蒸発器温度が所定温度Te2以下であるのか判定する。そして、これらのうちの少なくとも1つが判定条件を満たす場合(ステップS218において「YES」)、加熱器204を動作させて蒸発器203を加熱させる(ステップS219)。逆に、ステップS218の判定条件を満たさない場合は、酸化剤ガス、改質水、発電原料の供給を継続する。なお、ステップS218の判定条件を満たす場合とは、改質水を気化させることを可能とする蒸発器203の動作温度の下限値以下となった場合である。Therefore, the
このように、本実施の形態に係る燃料電池システム200では、蒸発器203の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、蒸発器203を加熱することで改質水の気化を継続させ、水蒸気を可燃性ガス流路211に供給することができる。それゆえ、蒸発器203の温度が低下することで改質水を気化させることが困難となり、改質器202で生成される水素含有ガス中の水素濃度が低下することを防ぐことができる。
Thus, in the fuel cell system 200 according to the present embodiment, when it is determined that the operating temperature of the
なお、所定温度Ts2、所定温度Tr2、および所定温度Te2は、蒸発器203が改質水を十分に気化できなくなる温度となったときの燃料電池温度、改質器温度、ならびに蒸発器温度である。例えば、燃料電池温度の所定温度Ts2は、約300℃とすることができ、改質器温度の所定温度Tr2は、約300℃、蒸発器203の所定温度Te2は、約100℃とすることができる。The predetermined temperature T s2 , the predetermined temperature T r2 , and the predetermined temperature T e2 are the fuel cell temperature, the reformer temperature, and the evaporator when the
さらに制御器208は、燃料電池温度検知器T10で検知された燃料電池温度、ならびに改質器温度検知器T20で検知された改質器温度のうち少なくとも1つを受け付け、温度変化を監視する。そして、制御器208は、検知された燃料電池温度と所定温度Ts3との大小関係を判定する。または、制御器208は、検知された改質器温度と所定温度Tr3との大小関係を判定する(ステップS220)。Further, the
ここで、制御器208は、検知された燃料電池温度が所定温度Ts3以下であるのか否か、改質器温度が所定温度Tr3以下であるのか否か判定し、これらのうちの少なくとも1つが判定条件を満たす場合(ステップS220において「YES」)、燃料電池201のアノード220が酸化する可能性がなくなる温度に達したと判定する。そこで、制御器208は、ステップS220において「YES」の場合、発電原料供給器205を制御して発電原料の供給を停止させるとともに(ステップS221)、改質水供給器209を制御して改質水の供給を停止させる(ステップS222)。さらに、制御器208は、加熱器204の動作を停止させる(ステップS223)。なお、ステップS221〜ステップS223の実行順はそれぞれこの順番に限定されるものではなく、同時に実施してもよいし、それぞれの順番が入れ替えられてもよい。Here, the
なお、所定温度Ts3、および所定温度Tr3は、燃料電池201のアノード220が酸化する可能性がなくなる温度となったときの燃料電池温度、および改質器温度である。例えば、燃料電池温度の所定温度Ts3は、局部電池生成による酸化抑制のため150℃とすることができ、改質器温度の所定温度も同様に150℃とすることができる。The predetermined temperature T s3 and the predetermined temperature T r3 are the fuel cell temperature and the reformer temperature at which the
このようにして、発電原料、改質水(水蒸気)の供給が停止されると、改質器202における水素含有ガスの生成が停止する。ただし、制御器208による発電原料の供給停止、および改質水の供給停止指示後すぐに水素含有ガスの生成が停止されるわけではない。制御器208の停止指示直前に、改質器202に向かって流通している発電原料および改質水があり、停止指示後に遅れて水素含有ガスが発生する。そこで、この停止指示後に遅れて生成された水素含有ガスが燃料電池201のカソード221側に流入しカソード221が還元することを防ぐため、加熱器204の動作停止後から所定時間t2経過するまで酸化剤ガスの供給を継続させる。すなわち、制御器208は、加熱器204の動作停止後から酸化剤ガスの供給が所定時間t2以上、継続したか否か判定し、所定時間t2以上、継続したと判定した場合、酸化剤ガス供給器206を制御して酸化剤ガスの供給を停止させる(ステップS225)。In this manner, when the supply of the power generation raw material and the reforming water (steam) is stopped, the generation of the hydrogen-containing gas in the
以上のようにして本実施の形態に係る燃料電池システム200は運転停止工程を実施することができる。上記したように、燃料電池201のアノード220が酸化することがなくなる温度まで燃料電池201、改質器202等の温度が低下するまで、可燃性ガス流路を改質器202で生成した水素含有ガスによりパージすることができる。このため、燃料電池201の温度低下に伴い可燃ガス流路内のガス収縮に伴う圧力低下、および水蒸気が凝縮することで生じる可燃性ガス流路の圧力低下に応じて外部から空気が流入してくることを防ぐことができる。それゆえ、低温時の、アノード220の下流側の空気による酸化に加えて、アノード220の下流側からの空気の侵入によるアノード220の上流側の局部電池生成による酸化も抑制できる。
As described above, the fuel cell system 200 according to the present embodiment can perform the operation stop process. As described above, the hydrogen-containing gas generated in the
また、発電原料そのもので可燃性ガス流路211をパージするのではなく水素含有ガスを利用してパージするため、燃料電池201のアノード220および改質器202等に炭素が析出することを防ぐことができる。
In addition, since the power generation raw material itself does not purge the
なお、この運転停止工程を実施するにあたり、発電原料、改質水が供給されている期間では燃焼部210において不図示の着火器を動作させて燃料電池201から排出された可燃性ガスを燃焼させた上で、系外に排気するように構成されていてもよい。このように構成されている場合、可燃性ガスがそのまま系外に排出されることを防ぐことができる。
In carrying out this shutdown process, the combustible gas discharged from the
また、ステップS215、216、217それぞれで供給が開始された酸化剤ガス、改質水、および発電原料は、ステップS221、222、225それぞれで供給停止されるまで継続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。酸化剤ガス、改質水、および発電原料を間欠的に供給させる場合、制御器208は不図示の計時部から時間情報を受け付け、所定期間、酸化剤ガス、改質水、および発電原料を供給し、また所定期間、これらの供給を停止させるといった動作を所定回数繰り返すように改質水供給器209、発電原料供給器205、酸化剤ガス供給器206をそれぞれ制御する。あるいは、酸化剤ガスについてはステップS215で供給を開始してからステップS225において供給を停止させるまで継続して供給しつつ、改質水および発電原料については上記したように間欠的に供給してもよい。間欠的に発電原料および改質水を供給する構成とした場合、燃料電池システム200にて運転停止工程を実施するにあたり消費する発電原料を軽減させることができる。
In addition, the oxidant gas, the reforming water, and the power generation raw material that have been supplied in steps S215, 216, and 217 may be continuously supplied until the supply is stopped in steps S221, 222, and 225, respectively. , May be supplied intermittently. When the oxidant gas, the reforming water, and the power generation raw material are intermittently supplied, the
また、ステップS219において動作開始させられる加熱器204は、ステップS223で動作が終了するまで継続して動作する構成であってもよい。あるいは、加熱器204は、蒸発器温度が所定温度範囲内となるように、制御器208によりON−OFF制御される構成であってもよいし、PWM(Pulse Width Modulation)制御される構成であってもよい。
Further, the
また、本実施の形態に係る燃料電池システム200では、温度検知部として、燃料電池温度検知器T10、改質器温度検知器T20、および蒸発器温度検知器T30を備えた構成であったが、必ずしもこれら3つを備える必要はなく、これらのうち少なくとも1つを備えればよい。 Further, in the fuel cell system 200 according to the present embodiment, the temperature detector is configured to include the fuel cell temperature detector T10, the reformer temperature detector T20, and the evaporator temperature detector T30. It is not always necessary to provide these three, and it is sufficient to provide at least one of them.
また、本実施の形態に係る燃料電池システム200は、さらに、可燃性ガス流路211において発電原料に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器(図18において不図示)を備えた構成としてもよい。このように構成する場合、脱硫器は、可燃性ガス流路211において発電原料供給器205と改質器202との間に設けられる。なお、この脱硫器のは、上述した実施形態1の変形例2に係る燃料電池システム100が備える脱硫器9と同様の構成としてもよい。
Further, the fuel cell system 200 according to the present embodiment may further include a desulfurizer (not shown in FIG. 18) for removing sulfur compounds contained in the power generation raw material in the
発電原料に含まれる硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン(TBM:tertiary-butylmercaptan)、ジメチルスルフィド(DMS:dimethylsulfide)、テトラヒドロチオフェン(THT:Tetrahydrothiophene)、硫化カルボニル(COS:carbonyl sulfide)、硫化水素(hydrogen sulfide)等が例示される。 The sulfur compound contained in the power generation raw material may be artificially added to the raw material as an odorant component, or may be a natural sulfur compound derived from the raw material itself. Specifically, tertiary-butylmercaptan (TBM), dimethylsulfide (DMS), tetrahydrothiophene (THT), carbonyl sulfide (COS), hydrogen sulfide, etc. Illustrated.
(実施形態2の変形例1)
(実施形態2の変形例1に係る燃料電池システムの構成)
次に、本発明の実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の構成について図21を参照して説明する。図21は、本発明の実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の概略構成の一例を示すブロック図である。(
(Configuration of Fuel Cell System According to
Next, the configuration of the fuel cell system 200 according to
図21に示すように実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200は、図18に示す燃料電池システム200の構成において、燃焼排ガス流路214中に浄化器231をさらに設けた点で異なる。また、この浄化器231に浄化器温度検知器T40が設けられている点で異なる。それ以外の点については同様な構成となるため同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
As shown in FIG. 21, the fuel cell system 200 according to
図21に示すように燃焼部210の下流側には、該燃焼部210で可燃性ガスが燃焼され、生成された燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路214が設けられている。燃料電池201の停止後、燃焼部210にて燃焼が行われない場合は、この燃焼排ガス流路214には燃料電池201から排出された可燃性ガス(水素含有ガス)と酸化剤ガスとを含む排気ガスが流通する。
As shown in FIG. 21, on the downstream side of the
浄化器231は、この燃焼排ガス流路214中に設けられており、燃焼排ガス流路214中を流通する、燃料電池201から排出された排ガスを浄化する。なお、この排ガスは、可燃性の高いガスである。浄化器231の構成は、実施形態1の変形例3に係る燃料電池システム100が備える浄化器16と同様な構成であるため、詳細な説明は省略する。
The
浄化器231は、燃料電池システム200の定常運転中において、燃焼排ガス流路214を流通する燃焼排ガスにより所定の温度範囲となるように加熱される構成であってもよい。つまり、定常運転中において、浄化器231を通過した燃焼排ガスは、上述のように浄化器231を加熱しつつ、可燃性の高いガスが浄化された状態で燃料電池システム200の系外に排出される。
The
浄化器231には上記したように浄化器温度検知器T40が設けられており、該浄化器温度検知器T40によって検知された温度(浄化器温度)に関する情報は、制御器208に出力される。浄化器温度検知器T40は、例えば熱電対またはサーミスタ等により構成することができる。
The
(実施形態2の変形例1に係る燃料電池システムの運転停止工程)
次に、上記した構成を有する実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の運転停止工程について図22、23を参照して説明する。図22、23は、本発明の実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の運転停止工程の一例を示すフローチャートである。フローチャートに示す動作は、例えば、記憶装置207に記憶された不図示の制御プログラムを制御器208が読み出し、実行することにより実現されうる。(Operation stop process of fuel cell system according to
Next, the operation stop process of the fuel cell system 200 according to
なお、図22、23に示すフローチャートにおいて、ステップS230からステップS233までの処理、ステップS235からステップS237までの処理、ステップS239、ステップS241からステップS245までの処理については、上述した図19、20に示すステップS210からステップS213までの処理、ステップS215からステップS217までの処理、ステップS219、ステップS221からステップS225までの処理と同様となるため説明は省略する。 In the flowcharts shown in FIGS. 22 and 23, the processing from step S230 to step S233, the processing from step S235 to step S237, the processing from step S239, and step S241 to step S245 are described in FIGS. Since the processing from step S210 to step S213 shown, the processing from step S215 to step S217, the processing from step S219, and from step S221 to step S225 are the same, description thereof will be omitted.
ステップS233で酸化剤ガスの供給が停止された後、続くステップS234において、制御器208は、燃料電池温度検知器T10によって検知された燃料電池温度と所定温度Ts1との大小関係を判定する。または、制御器208は、改質器温度検知器T20によって検知された改質器温度と所定温度Tr1との大小関係を判定する。または、制御器208は、蒸発器温度検知器T30によって検知された蒸発器温度と所定温度Te1との大小関係を判定する。または、制御器208は、浄化器温度検知器T40によって検知された浄化器温度と所定温度Tp1との大小関係を判定する。すなわち、制御器208は、燃料電池温度、改質器温度、蒸発器温度および浄化器温度のうちの少なくとも1つと所定温度との大小関係を判定する。After the supply of the oxidant gas is stopped in step S233, in the subsequent step S234, the
ここで、燃料電池201および改質器202は、燃料電池201の後段に設けられた燃焼部210における可燃性ガスの燃焼により生じた熱により加熱される構成となっている。このため、燃料電池201と改質器202との両者の温度は連動して変化する。また、蒸発器203および浄化器231は、定常運転中には燃焼部210で生成された燃焼排ガスの有する熱により加熱され、運転停止操作の開始後は上述した燃料電池201および改質器202と同様に温度低下するようになっている。すなわち、運転停止操作の開始後において燃料電池201、改質器202、蒸発器203、及び浄化器231それぞれの温度変化は連動したものとなっている。
Here, the
なお、本発明の実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200の記憶装置207に記憶されているテーブル230には、燃料電池201、改質器202、および蒸発器203それぞれの温度の変動範囲において設定されている所定温度に加えて、浄化器231の温度の変動範囲において設定されている所定温度が記録されている。
Note that the table 230 stored in the
なお、浄化器温度とは、浄化器231に充填された浄化触媒の温度であるがこれに限定されるものではない。また、浄化器231の所定温度Tp1とは、燃料電池システム200の運転停止工程スタート後、すぐの浄化器231の温度であってもよいし、運転停止工程スタートから所定時間経過後の浄化器231の温度であってもよい。運転停止工程のステップS234において、燃料電池201の所定温度Ts1を約480℃とするとき、浄化器231の所定温度Tp1は、例えば約270℃となる。The purifier temperature is the temperature of the purifying catalyst charged in the
ここで、運転停止操作開始後、上記したように燃料電池温度、改質器温度、蒸発器温度および浄化器温度は、それぞれ連動して変化する。このため、ステップS234では、制御器208は、燃料電池温度が所定温度Ts1以下であるのか、改質器温度が所定温度Tr1以下であるのか、蒸発器温度が所定温度Te1以下であるのか、浄化器温度が所定温度Tp1以下であるのかについての判定のうち、少なくとも1つが判定条件を満たす場合(ステップS234において、「YES」)、制御器208は、酸化剤ガス供給器206を制御して酸化剤ガスの酸化剤ガス流路212への供給を開始する(ステップS235)。さらにステップS236、ステップS237で、改質水、発電原料それぞれの供給が開始され、酸化剤ガス流路212および可燃性ガス流路211におけるパージが行われる。Here, after the start of the operation for stopping the operation, as described above, the fuel cell temperature, the reformer temperature, the evaporator temperature, and the purifier temperature change in conjunction with each other. For this reason, in step S234, the
その後、時間経過とともに、燃料電池システム200の各部(例えば、燃料電池201、改質器202、蒸発器203、浄化器231)の温度が低下していくと、まず蒸発器203において改質水を気化させることが困難となってくる。
Thereafter, as the temperature of each part (for example, the
そこで、制御器208は、燃料電池温度検知器T10で検知された燃料電池温度、改質器温度検知器T20で検知された改質器温度、蒸発器温度検知器T30で検知された蒸発器温度、浄化器温度検知器T40で検知された浄化器温度のうち少なくとも1つを受け付け、温度変化を監視する。そして、制御器208は、燃料電池温度と所定温度Ts2との大小関係を判定する。または、制御器208は、改質器温度と所定温度Tr2との大小関係を判定する。または制御器208は、蒸発器温度と所定温度Te2との大小関係を判定する。または、制御器208は、浄化器温度と所定温度Tp2との大小関係を判定する(ステップS238)。Therefore, the
ここで、制御器208は、燃料電池温度が所定温度Ts2以下であるのか、改質器温度が所定温度Tr2以下であるのか、蒸発器温度が所定温度Te2以下であるのか、もしくは浄化器温度が所定温度Tp2以下であるのか判定する。そして、これらのうちの少なくとも1つが判定条件を満たす場合(ステップS238において「YES」)、加熱器204を動作させて蒸発器203を加熱させる(ステップS239)。逆に、ステップS238の条件を満たさない場合は、酸化剤ガス、改質水、発電原料の供給を継続する。Here, the
このように、本発明の実施形態2に係る燃料電池システム200では、蒸発器203を加熱することで改質水の気化を継続させ、水蒸気を可燃性ガス流路211に供給することができる。それゆえ、蒸発器203の温度が低下することで改質水を気化させることが困難となり、改質器202で生成される水素含有ガス中の水素濃度が低下することを防ぐことができる。
As described above, in the fuel cell system 200 according to
なお、所定温度Tp2は、蒸発器203が改質水を十分に気化できなくなる温度となったときの蒸発器温度に対応する浄化器温度である。運転停止工程のステップS238において、例えば、浄化器231の所定温度Tp2は約200℃とすることができる。なお、このとき、浄化器231の温度と対応する燃料電池201の所定温度Ts2は約300℃となる。The predetermined temperature T p2 is a purifier temperature corresponding to the evaporator temperature when the
さらに制御器208は、燃料電池温度検知器T10で検知された燃料電池温度、改質器温度検知器T20で検知された改質器温度、浄化器温度検知器T40で検知された浄化器温度のうち少なくとも1つを受け付け、温度変化を監視する。そして、制御器208は、検知された燃料電池温度と所定温度Ts3との大小関係を判定する。または、制御器208は、検知された改質器温度と所定温度Tr3との大小関係を判定する。または、制御器208は、検知された浄化器温度と所定温度Tp3との大小関係を判定する(ステップS240)。Further, the
ここで、制御器208は、燃料電池温度が所定温度Ts3以下であるのか、改質器温度が所定温度Tr3以下であるのか、ならびに浄化器温度が所定温度Tp3以下であるのか否か判定し、これらのうちの少なくとも1つが、判定条件を満たす場合(ステップS240において「YES」)、燃料電池201のアノード220が酸化する可能性がなくなる温度に達したと判定する。そこで、制御器208は、ステップS240において「YES」の場合、発電原料供給器205を制御して発電原料の供給を停止させるとともに(ステップS241)、改質水供給器209を制御して改質水の供給を停止させる(ステップS242)。さらに、制御器208は、加熱器204の動作を停止させる(ステップS243)。なお、ステップS241〜ステップS243のステップはそれぞれこの順番に限定されるものではなく、同時に実施してもよいし、それぞれの順番が入れ替えられてもよい。Here, the
なお、所定温度Tp3は、燃料電池201のアノード220が酸化する可能性がなくなる温度となったときの燃料電池温度または改質器温度に対応する浄化器温度である。運転停止工程のステップS240において、例えば、浄化器231の所定温度Tp3を約120℃とすることができる。なお、このとき、浄化器231の温度と対応する燃料電池201の所定温度Ts3は、約150℃となる。The predetermined temperature T p3 is a purifier temperature corresponding to the fuel cell temperature or the reformer temperature at which the
以上のように、実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム200では、浄化器温度の温度変化についても、酸化剤ガス、改質水、発電原料の供給または停止、ならびに加熱器204の動作開始または終了のトリガとすることができる。
As described above, in the fuel cell system 200 according to the first modification of the second embodiment, the supply or stop of the oxidant gas, the reforming water, the power generation raw material, and the operation of the
(実施形態2の変形例2)
上記では加熱器204を動作させることで、蒸発器203が改質水を気化させるために十分な温度となるように、蒸発器203の温度を維持することができる構成であった。しかしながら、このように蒸発器203の温度を所定の温度範囲に維持することができたとしても、燃料電池201の運転停止工程における温度低下により改質器202で改質反応が良好に進行できる温度範囲よりも低下し、水素含有ガスを生成することができなくなる場合がある。(
In the above configuration, the temperature of the
そこで、変形例2として、改質器202が機能できる温度範囲よりも低下するような場合であっても、水素含有ガスを生成できる構成を有する燃料電池システム200について説明する。
Therefore, as a second modification, a fuel cell system 200 having a configuration capable of generating a hydrogen-containing gas even when the temperature falls below the temperature range in which the
(実施形態2の変形例2に係る燃料電池システムの構成)
図24を参照して本発明の実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム200の構成について説明する。図24は、本発明の実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム200の概略構成の一例を示すブロック図である。(Configuration of Fuel Cell System According to
A configuration of a fuel cell system 200 according to
図24に示す実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム200は、図18に示す燃料電池システム200の構成と比較して、可燃性ガス流路211において改質器202の上流側に、該改質器202とは別体で設けられた予備改質器232をさらに備えている点で異なる。それ以外の点については同様な構成となるため同じ部材には同じ符号を付し、その説明は省略する。
Compared with the configuration of the fuel cell system 200 shown in FIG. 18, the fuel cell system 200 according to
予備改質器232は、改質器202と同様に、発電原料を改質し、燃料電池201に供給するものであり、改質触媒が充填されて構成されている。改質触媒は改質器202と同じ触媒を用いてもよく、最適な温度範囲に維持して改質反応を進行させることができるものであればよい。予備改質器232は、図24に示すように加熱器204の近傍または隣接して設けられており、加熱器204が起動することで、昇温することができるようになっている。このため、改質器温度検知器T20により検知された改質器温度が、例えば、300℃以下となり改質器202において改質反応が良好に進行しないような場合であっても、加熱器204の加熱により予備改質器232を、改質反応が良好に進む500℃程度まで昇温させる。これにより、予備改質器232において改質反応により水素含有ガスを生成することができる。
Similar to the
つまり、実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム200では、制御器208は、温度検知部の検知結果に基づき、蒸発器203の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、加熱器204により蒸発器203とともに予備改質器232を加熱させるように制御することができる。
That is, in the fuel cell system 200 according to the second modification of the second embodiment, when the
したがって、実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム200は、上記したように加熱器204によって昇温される予備改質器232を備える。このため、温度低下により改質器202にて改質反応が十分に進行しないような場合であっても、該改質器202の代わりに加熱器204により加熱されている予備改質器232によって改質反応を進行させ、水素含有ガスを生成させることができる。
Therefore, the fuel cell system 200 according to the second modification of the second embodiment includes the pre-reformer 232 that is heated by the
(実施形態2の変形例3)
なお、変形例2に係る燃料電池システム200は、改質器202の上流側に予備改質器232を備えた構成であった。しかしながら、予備改質器232の配置はこれに限定されるものではなく以下の変形例3に係る燃料電池システム200のように構成してもよい。(
The fuel cell system 200 according to the
(実施形態2の変形例3に係る燃料電池システムの構成)
変形例3に係る燃料電池システム200は、図25に示すように、変形例2に係る燃料電池システム200の構成において、予備改質器232が、可燃性ガス流路211における改質器202の上流側ではなく下流側に配置した構成とする。図25は、本発明の実施形態2の変形例3に係る燃料電池システム200の概略構成の一例を示すブロック図である。(Configuration of Fuel Cell System According to
As shown in FIG. 25, the fuel cell system 200 according to
ところで、図25では特に図示していないが、可燃性ガス流路211において改質器202の上流には発電原料中に含まれる硫黄化合物を除去するために脱硫器を備えた構成とすることができる。このように脱流器を備えた構成とすることで、発電原料中に含まれる硫黄化合物により改質器202の改質触媒が被毒されることを防止することができる。
Incidentally, although not particularly shown in FIG. 25, a desulfurizer may be provided upstream of the
しかしながら、このように脱硫器を備える構成としても、除去しきれなかった硫黄化合物が改質器202に流入する場合がある。この場合、硫黄化合物によって特に上流側に配置された改質触媒を被毒させる可能性がある。
However, even when the desulfurizer is provided as described above, sulfur compounds that could not be removed may flow into the
そこで、実施形態2の変形例3に係る燃料電池システム200では、加熱器204の近傍または隣接する位置に配置され、かつ可燃性ガス流路211において改質器202の下流側に予備改質器232を備えた構成とする。これにより、予備改質器232が発電原料中に含まれる硫黄化合物により被毒され、改質性能の低下を引き起こすことを防止することができる。したがって、変形例3に係る燃料電池システム200は、変形例2に係る燃料電池システム200と比較して、予備改質器232の耐久性を向上させることができる。
Therefore, in the fuel cell system 200 according to
なお、実施形態2の変形例2、3の燃料電池システム200では、図19、20に示す運転停止工程の制御フローと同様にして運転停止工程を実施するため、ここでの説明は省略する。また、実施形態2の変形例2、3の燃料電池システム200は、実施形態2の変形例1の燃料電池システム200と同様に、浄化器231と浄化器温度検知器T40をさらに備えていてもよい。このようにさらに浄化器231と浄化器温度検知器T40を備える構成の場合、実施形態2の変形例2、3の燃料電池システム200で実施する運転停止工程の制御フローは、図22、23に示す運転停止工程の制御フローと同様となる。
In the fuel cell systems 200 of the second and third modifications of the second embodiment, the operation stop process is performed in the same manner as the control flow of the operation stop process shown in FIGS. Further, the fuel cell system 200 of the second and third modifications of the second embodiment may further include a
以上のように、実施形態2の変形例2、3に係る燃料電池システム200は、加熱器204により加熱される予備改質器232をさらに備える。このため、燃料電池201の停止後における温度低下によって改質器202が改質反応を良好に進行させることができる温度以下となった場合であっても、加熱器204により昇温された予備改質器232により改質反応を実施し、水素含有ガスを生成させることができる。
As described above, the fuel cell system 200 according to the second and third modifications of the second embodiment further includes the pre-reformer 232 that is heated by the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、安全性ならびに耐久性を向上させることができ、固体酸化物形燃料電池システムにおいて幅広く適用できる。 The solid oxide fuel cell system of the present invention can improve safety and durability, and can be widely applied in solid oxide fuel cell systems.
1 燃料電池
2 改質器
3 燃焼部
4 着火器
5 発電原料供給器
6 酸化剤ガス供給器
7 改質用材料供給器
8 制御器
9 脱硫器
10 改質用材料流路
11 可燃性ガス流路
12 酸化剤ガス流路
13 燃焼排ガス流路
14 リサイクル流路
15 加熱部
16 浄化器
20 アノード
21 カソード
100 燃料電池システム
200 燃料電池システム
201 燃料電池
202 改質器
203 蒸発器
204 加熱器
205 発電原料供給器
206 酸化剤ガス供給器
207 記憶装置
208 制御器
209 改質水供給器
210 燃焼部
211 可燃性ガス流路
212 酸化剤ガス流路
213 改質水流路
214 燃焼排ガス流路
220 アノード
221 カソード
230 テーブル
231 浄化器
232 予備改質器
P 圧力センサ
T1 燃料電池温度検知部
T2 改質器温度検知部
T3 脱硫器温度検知部
T4 浄化器温度検知部
T10 燃料電池温度検知器
T20 改質器温度検知器
T30 蒸発器温度検知器
T40 浄化器温度検知器DESCRIPTION OF
Claims (15)
発電原料を改質して生成した水素含有ガスを前記固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する改質器と、
前記改質器に前記発電原料を供給する発電原料供給器と、
前記改質器に対して、改質反応で利用する改質用の水および空気の少なくともいずれか一方を供給する改質用材料供給器と、
前記固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された排ガスに着火する着火器を有し、前記排ガスを火炎燃焼させる燃焼部と、
制御器と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの運転停止工程において、前記制御器は、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記酸化剤ガスを前記固体酸化物形燃料電池のカソードに供給させ、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御して、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方とを前記改質器に間欠的に供給させるとともに、前記燃焼部が有する前記着火器を制御して着火動作させる燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell;
A reformer for supplying a hydrogen-containing gas generated by reforming the power generation raw material to the anode of the solid oxide fuel cell;
A power generation material supplier for supplying the power generation material to the reformer;
A reforming material supplier for supplying at least one of reforming water and air used in the reforming reaction to the reformer;
An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the cathode of the solid oxide fuel cell;
Said to have a solid oxide fuel cell ignitor for igniting the ejected gas from the combustion section to the flue gas Ru is flame combustion,
A fuel cell system comprising a controller,
In the operation stop step of the fuel cell system, the controller controls the oxidant gas supply unit to supply the oxidant gas to the cathode of the solid oxide fuel cell, The reforming material supplier is controlled so that the power generation raw material and at least one of the water and air are intermittently supplied to the reformer, and the igniter included in the combustion unit is controlled. A fuel cell system that operates with ignition.
前記浄化器の温度を検知するための浄化器温度検知部と、をさらに備え、
前記浄化器温度検知部による検知結果が所定温度未満となる場合、前記制御器は、前記着火器を制御して着火動作させる請求項1に記載の燃料電池システム。 A purifier that is disposed downstream of the combustion section and purifies the combustible gas contained in the combustion exhaust gas discharged from the combustion section;
A purifier the temperature detecting unit for detecting the temperature of the pre-Symbol purifier, further comprising a
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the detection result by the purifier temperature detection unit is lower than a predetermined temperature, the controller controls the igniter to perform an ignition operation.
前記改質器の温度を検知する改質器温度検知部、前記固体酸化物形燃料電池の温度を検知する燃料電池温度検知部、および前記脱硫器の温度を検知する脱硫器温度検知部のうちのいずれか1つを少なくとも備え、
前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方との前記改質器への間欠的な供給を、少なくとも前記改質器温度検知部、前記燃料電池温度検知部、および前記脱硫器温度検知部のいずれか1つによって検知された温度が所定の温度範囲内か否かに応じて、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御して行う請求項3から5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The temperatures of the reformer, the solid oxide fuel cell, and the desulfurizer change in conjunction with each other,
Before the reformer temperature detector for detecting the temperature of Kiaratame reformer, the fuel cell temperature detector for detecting the temperature of the solid oxide fuel cell, and the desulfurizer temperature detector for detecting the temperature of the desulfurizer At least one of them,
The controller intermittently supplies the power generation raw material and at least one of the water and air to the reformer, at least the reformer temperature detection unit, the fuel cell temperature detection unit, and The control is performed by controlling the power generation raw material supplier and the reforming material supplier in accordance with whether or not the temperature detected by any one of the desulfurizer temperature detectors is within a predetermined temperature range. 6. The fuel cell system according to any one of items 1 to 5.
前記可燃性ガス流路に設けられ、該可燃性ガス流路内の圧力を検知する圧力センサと、を備え、
前記圧力センサの検知結果において、前記可燃性ガス流路内の圧力が負圧となった場合、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方との前記改質器への間欠的な供給を所定の時間間隔ごとに前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を動作させて行う請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A flammable gas flow path through which a flammable gas containing the power generation raw material flows, and a flow path from the power generation raw material supplier to the anode of the solid oxide fuel cell;
A pressure sensor provided in the combustible gas flow path and detecting a pressure in the combustible gas flow path,
In the detection result of the pressure sensor, when the pressure in the combustible gas flow path becomes a negative pressure, the controller includes the reformer of the power generation raw material and at least one of the water and air. 6. The fuel cell system according to claim 1, wherein intermittent supply to the fuel cell is performed by operating the power generation raw material supplier and the reforming material supplier at predetermined time intervals.
前記電圧検知器により検知された電圧が所定電圧以下となるたびに、前記制御器は、前記発電原料と、前記水および空気の少なくともいずれか一方とを前記改質器へ供給するように、前記発電原料供給器および前記改質用材料供給器を制御する請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A voltage detector for detecting the voltage of the solid oxide fuel cell;
Whenever the voltage detected by the voltage detector becomes a predetermined voltage or less, the controller supplies the power generation raw material and at least one of the water and air to the reformer. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the power generation raw material supplier and the reforming material supplier are controlled.
前記改質水供給器から前記改質器に供給される水を気化させる蒸発器と、
前記蒸発器を加熱する加熱器と、
前記酸化剤ガスが流通する、前記酸化剤ガス供給器から前記固体酸化物形燃料電池に至る流路である酸化剤ガス流路と、
前記発電原料供給器から前記固体酸化物形燃料電池のアノードに至る流路であり、前記発電原料を含む可燃性ガスが流通する可燃性ガス流路と、を備え、
前記蒸発器、前記改質器、および前記固体酸化物形燃料電池の温度はそれぞれ連動して変化しており、
前記蒸発器の温度を検知する蒸発器温度検知部、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知部、および前記固体酸化物形燃料電池の温度を検知する燃料電池温度検知部のうちのいずれか1つを少なくとも有し、
前記燃料電池システムの運転停止工程において、前記制御器は、前記発電原料供給器と前記改質水供給器とを制御して前記発電原料と水とを、前記可燃性ガス流路に流通させるとともに、前記酸化剤ガス供給器を制御して前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス流路に流通させており、前記蒸発器温度検知部、前記改質器温度検知部、および前記燃料電池温度検知部のうちの少なくともいずれか1つの検知結果に基づき、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器を加熱させるように制御する請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The reforming material supplier is a reforming water supplier that supplies reforming water to be used in a reforming reaction to the reformer,
An evaporator for vaporizing water supplied to the reformer from the reformed water supplier;
A heater for heating the evaporator;
An oxidant gas flow path, which is a flow path from the oxidant gas supply unit to the solid oxide fuel cell, through which the oxidant gas flows;
A flow path from the power generation raw material feeder to the anode of the solid oxide fuel cell, and a combustible gas flow path through which a combustible gas containing the power generation raw material flows ,
The temperatures of the evaporator, the reformer, and the solid oxide fuel cell are changed in conjunction with each other,
Evaporator temperature detecting unit for detecting the temperature of the pre-Symbol evaporator, the reformer temperature detector for detecting the temperature of the reformer, and fuel cell temperature detector for detecting the temperature of the solid oxide fuel cell Having at least one of them,
In the operation stop step of the fuel cell system, the controller controls the power generation raw material supply device and the reformed water supply device to distribute the power generation raw material and water to the combustible gas flow path. The oxidant gas supply device is controlled to cause the oxidant gas to flow through the oxidant gas flow path, and the evaporator temperature detection unit, the reformer temperature detection unit, and the fuel cell temperature detection based on at least one of the detection result of the part, when the operating temperature of the evaporator is determined as equal to or less than the lower limit, the claim 1 for controlling so as to heat the evaporator by the heater The fuel cell system according to any one of 5 .
前記温度検知部は、前記蒸発器、前記改質器、および前記燃料電池の温度に加え、これらと連動して変化する前記浄化器の温度のうちの少なくともいずれか1つの温度を検知する請求項11に記載の燃料電池システム。 A purifier for purifying exhaust gas containing the combustible gas and the oxidant gas discharged from the fuel cell;
The temperature detector detects at least one of the temperatures of the purifier, which changes in conjunction with the temperatures of the evaporator, the reformer, and the fuel cell. the fuel cell system according to 1 1.
前記制御器は、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記蒸発器の動作温度が下限値以下となったと判定した場合、前記加熱器により前記蒸発器とともに前記予備改質器を加熱させるように制御する請求項11または12に記載の燃料電池システム。 Provided separately from the reformer, further comprising a pre-reformer for reforming the power generation raw material and supplying it to the fuel cell;
When the controller determines that the operating temperature of the evaporator has become lower than a lower limit value based on the detection result of the temperature detector, the controller causes the heater to heat the preliminary reformer together with the evaporator. the fuel cell system of claim 1 1 or 1 2 to control.
前記制御器は、前記発電原料を供給していないときは、前記着火器を制御して着火動作させない、請求項1に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the power generation raw material is not supplied, the controller controls the igniter so as not to perform an ignition operation.
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